Zvětšit obrázek

Schéma rovníkového řezu rázové vlny. Znázorňuje i přibližnou pozici kosmických sond Voyager 1 Voyager 2. Dřívější modely považovaly terminační vlnu za nedůležitou, ale podle nové teorie zploštělý tvar rázové vlny je hlavním zdrojem energie částic kosmického záření.

Když Voyager 1 v prosinci 2004 konečně s největší pravděpodobností definitivně opustil heliosféru a putuje mezihvězdným prostorem - přelétl hranici rázové vlny, tzv. terminační vlnu ("termination shock"). A astrofyzikové předpokládali, že konečně odhalí zdroje anomálního kosmického záření. Za původce tohoto kosmické záření, které patřící mezi nejaktivnější částicové záření ve sluneční soustavě, je považována hranice rázové vlny.  Zde na okraji sluneční soustavy se slunečný vítr neočekávaně zpomalí. Záhada se však nevyřešila a namísto toho data z Voyager ukázala, že prognózy během posledních 20 let jsou chybné.

Zvětšit obrázek

Heliosféra, terminační vlna a dráhy Voyageru 1 a 2 a Pioneeru 10.

Nikdo zatím s jistotou neví, kde končí vliv našeho Slunce. Za drahami planet Neptun a Pluto se rozpíná oblast, kde má dominantní vliv magnetické pole Slunce a proud nabitých částice slunečního větru (plazma), tzv. heliosféra.
Heliosféra určuje hranici magnetického vlivu slunečního větru (200 – 230 AU), ale gravitační síla Slunce sahá mnohem dále (asi 50 tisíc AU). Dosah vlivu Slunce není vymezen tak přesně jako hranice států na Zemi. Jeho magnetické pole tvořené proudem elektricky nabitých částic, které vyvrhuje v podobě tzv. slunečního větru, se neustále mění a záleží na sluneční aktivitě. Proto oblast, kam tato magnetosféra sahá, se rozpíná a zase smršťuje.

Zvětšit obrázek

Heliosféra, terminační vlna a dráhy Voyageru 1 a 2.

Heliosféra končí hraniční vrstvou heliopauzou, tj. oblastí, kde se vyrovnávají vlivy Slunce a mezihvězdného prostoru.  Za ní se začíná sluneční vítr míchat s mezihvězdným plynem. Pohyb heliosféry galaktickým prostorem vytváří obloukovou rázovou vlnu podobně, jako ve vodě plující loď.

Dr. David J. McComas, hlavní výkonný ředitel oddělení kosmické vědy a techniky SwRI .

Rychlost slunečního větru je okolo 200-600 km/s, ale pokud uniká z oblasti nazývané koronální díra, tak může dosahovat rychlostí větších než 900 km/s. Na okraji sluneční soustavy se sluneční vítr zvolna zpomaluje díky střetávání s mezihvězdnou hmotou. A oblast, kde rychlost slunečního větru klesá pod rychlost zvuku se nazývá terminační vlna a předpokládá se, že se nachází ve vzdálenosti 75-90 AU (astronomických jednotek).

Nová teorie, kterou publikovali 17. únoru 2006 v Geophysical Research Letters Dr. David McComas (SwRI, Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, www.swri.edu) a Dr. Nathan Schwadron (Boston University, Massachusetts, www.bu.edu), vysvětluje, proč téměř úplně chybí anomální kosmické záření na přední straně rázové vlny, tam kde Voyager „hranici překračoval“. Zatímco dřívější modely považovaly terminační vlnu za nedůležitou, podle nové teorie je její tvar hlavním faktorem, kde a jak částice získávají energii.

McComas a Schwadron jsou přesvědčení, že pochopení role, jakou hraje terminační vlna jako zdroj energie pro anomální kosmické záření, povede k porozumění vlivu profilu rázové vlny pro získávání energie částicového záření ve vesmíru. Rázová vlna dodává tomuto nebezpečnému částicovému záření energii v mnoha formách. A představuje významné riziko pro astronauty na kosmických misích, zejména v budoucnosti při plánovaných letech s lidskou posádkou k Měsíci a Marsu.

Dr. Nathan Schwadron, oddělení astronomie Bostonské university

"Podle modelů bychom měli vidět zdroj energetického spektra anomálního kosmického záření na terminační vlnu," říká McComas, hlavní výkonný ředitel oddělení kosmické vědy a techniky SwRI (SwRI Space Science and Engineering Division). "Byli jsme si dost jistí, věděli jsme, co bychom měli vidět, ale když jsme se tam dostali, nebylo tam to, co jsme očekávali a nebyl tam zřetelný zdroj anomálního kosmického záření." (Pod termínem energetické spektrum rozumíme závislost četnosti částic s určitou energií na jejich energii - elektronů, iontů, …)

 
Vědci si nebyli nejisti, kde právě končí rázová vlna, ale věděli, že tam musí být „porucha“ magnetického pole, která sníží rychlost plazmy (slunečního větru) a dalších charakteristik. "Je to podobné, jako při chůzi přes pole, kdy neznáte hranice pozemků," říká McComas. "O hranicích s konečnou platností víte, až uvidíte plot."

Tvar rázové vlny nebyl považovaný za důležitý, proto u většiny vědců měl kulový tvar, se spirálovitým magnetickým polem, které dovolovalo pronikat slunečnímu větru ven v jediném místě. Plazma slunečního větru s sebou nese i magnetické pole. Silokřivky jsou „ukotveny“ ve Slunci, ale vlivem sluneční rotace se tento bod pohybuje a tvar meziplanetárního magnetického pole je spirálovitý.

Animace rázová vlny heliosféry

McComas a Schwadron ukázali, že zrychlení anomálního kosmického záření může docela dobře vysvětlit reálný tvar rázové vlny. "Ve skutečnosti, terminační vlna nemůže být kulová, protože sluneční soustava se v Galaxie pohybuje a vytváří tvar podobný spíše vejci," říká Schwadron. "Čelo rázové vlny je zploštělé v závislosti na rychlosti pohybu."

Vznik anomálního kosmického záření vyžaduje spojení s terminační vlnou (v bodě, kde je „propíchnuta“ magnetickou silokřivkou) a schopnost pro aktivní částice pobývat blízko toho spojení asi rok. Použití nového modelu a jednoduchých výpočtů ukázalo, že částice tam mohou zůstat okolo 300 dnů, což je další důkaz správnosti modelu.

Voyager 1 nezjistil aktivní anomální kosmické záření, když přelétal terminační vlnou. "20 miliónů elektronvoltů u částic helia, což bylo méně než 10% toho, co bylo předpovězeno. Stejně jsme pozorovali jen 5% z očekávaných 4 miliónů elektronvoltů u částic kyslíku," říká McComas. "My jsme nebyli mimo o 5 nebo 10%, byli jsme mimo 10 a 20krát."

Animace drah Voyagerů.

Nový model ukazuje, že částice mohou být opravdu urychleny na terminační vlně, ale ne na čele, kde ji Voyager přelétal. "Částice nemohou být urychleny až k nejvyšším energiím pokud se silokřivky nepřesunou ven a jejich „stopa“ neustoupí zpět po stranách hranice rázové vlny," říká McComas. "Znamená to, že zdroj aktivního anomálního kosmického záření musí ležet na bocích rázové vlny."

Voyager 2 rovněž letí ven ze sluneční soustavy. Očekává se, že terminační vlnou projde během příštích 2–3 let, ale ve větší vzdálenosti od jejího čela.

"Odpovědi by mohl poskytnout Voyager 2, protože by se měl pozorovat větší „skok“ toku aktivních částic a větší spektrum anomálního kosmického záření, když bude prolétat terminační vlnou," říká Schwadron.

Sonda IBEX (Interstellar Boundary Explorer, NASA), jejíž start je naplánován na léto 2008, by měla jako první pořizovat globální snímky heliopauzy.  Na rozdíl od  Voyagerů k ní nepoletí, ale měření bude provádět z protáhlé oběžné dráhy kolem Země. Právě elipsa s velkou výstředností dovolí dělat citlivá měření, která nebude ovlivňovat zemská magnetosféra. Astronomové budou schopni globálně pozorovat interaktivní vlivy na čele, bocích i ohonu rázové vlny. Kombinací s daty z Voyagerů 1 a 2 tato pozorování poprvé umožní vědcům pochopit vzájemné ovlivňování sluneční soustavy a Galaxie.

Zvětšit obrázek

Plaketa na sondě Voyager s pozdravem případným mimozemským civilizacím.

Voyager 1 - start 5. září 1977 (Cape Canaveral), nosná raketa Titan/Centaur, průlet kolem Jupitera 5. března 1979, Saturna 13. listopadu 1980, od roku 1998 nejvzdálenější sonda.

Voyager 2 - start 20. srpna 1977 (Cape Canaveral), nosná raketa Titan/Centaur, průlet kolem Jupitera 9. července 1979, Saturna 26. srpna 1981, Uranu 24. ledna 1986, Neptunu 25. srpna 1989.

Obě sondy Voyager nesou plaketu s pozdravem případným mimozemským civilizacím. Kromě toho je na obou sondách umístěna zvuková nahrávka (12" pozlacený měděný disk). Obsahuje zvukový i obrazový materiál o planetě Zemi. Jsou zde zastoupeny přirozené zvuky (vítr, bouře, ptáci a další zvířata) i hudební ukázky z různých etnických oblastí.  Nahrávka je doplněna pozdravem namluveným v 55 jazycích, 115 obrazy dokumentujícími život na Zemi a tištěným pozdravem tehdejšího prezidenta USA J. Cartra a generálního tajemníka OSN  K. Waldheima. Koncepci plakety a nahrávek řešil C. Sagan, stejně jako u sond Pioneer.
 

Zdroj:
http://www.sciencedaily.com/releases/2006/02/060221092918.htm
http://www.swri.edu/9what/releases/2006/Cosmic.htm
http://voyager.jpl.nasa.gov