O.S.E.L. - Kde končí Sluneční soustava? Hranice vesmíru, planety Devět a komerční lety ke hvězdám
 Kde končí Sluneční soustava? Hranice vesmíru, planety Devět a komerční lety ke hvězdám
Kde končí Sluneční soustava? Jednoduchá otázka, ale odpověď je překvapivě složitá. Není to totiž jedna čára ve vesmíru, ale spíše několik hranic definovaných různými fyzikálními jevy – od dosahu slunečního větru (heliosféra) po gravitační nadvládu Slunce sahající až k Oortovu oblaku.

Nedávný článek o stále nepolapené Planetě Devět zde na Oslu vyvolal, zajímavou diskuzi nad otázkou: Kde vlastně končí naše Sluneční soustava? Jak je možné, že sondy Voyager už dávno opustily „Sluneční soustavu“ a vstoupily do „mezihvězdného prostoru“, jak se často píše, když zároveň hledáme obří planetu možná až 700 astronomických jednotek (AU) od Slunce, která by stále měla být její součástí?

 

Tenhle zdánlivý rozpor není chybou v Matrixu ani důkazem spiknutí astronomů. Je to ukázka toho, že „hranice“ Sluneční soustavy, podobně jako mnoho jiných hranic, není žádná jednoduchá, ostrá čára narýsovaná ve vesmíru. Její definice závisí na tom, na co se ptáme a jaký fyzikální jev nás zrovna zajímá. Je to trochu jako snažit se určit, kde přesně končí Praha a začíná Středočeský kraj – záleží, jestli se ptáte katastrálního úřadu, dopravního podniku, nebo někoho, kdo hodnotí ceny nemovitostí.

 

Abychom v tom udělali jasno, podíváme se na různé způsoby, jak lze okraj našeho solárního domova definovat, a proč se tyto definice liší. Použijeme k tomu i pár analogií, třeba s poněkud gumovou hranicí kosmického prostoru, kterou se někteří provozovatelé suborbitálních raketových hopsadel snaží posunout co nejníže, aby mohli více platícím (a skákajícím) zákazníkům prodat „let do vesmíru“. A sáhneme i po letitém sporu geografů a historiků o tom, kudy vlastně vede hranice mezi Evropou a Asií.

Hranice podle větru: Sluneční heliosféra a její vrtkavý okraj

První způsob, jak definovat hranici, souvisí s přímým vlivem Slunce prostřednictvím jeho „větru“. Slunce totiž není jen koule žhavého plynu, která svítí a hřeje. Neustále z něj proudí do okolního prostoru proud nabitých částic (hlavně protonů a elektronů), kterému říkáme sluneční vítr. Tento vítr s sebou nese i sluneční magnetické pole a letí obrovskou rychlostí, typicky 300 až 700 kilometrů za sekundu.

 

Tento neustálý proud plazmatu vytváří kolem Slunce obrovskou bublinu, jakousi magnetickou dutinu v okolním mezihvězdném prostředí. Této bublině říkáme heliosféra. Je to oblast, kde dominuje sluneční vítr a sluneční magnetické pole. Všechno uvnitř heliosféry pochází víceméně ze Slunce.

 

Tato bublina ale není nekonečná. Jak sluneční vítr letí dál od Slunce, jeho tlak slábne. V určité vzdálenosti narazí na odpor – na tlak mezihvězdného média (Interstellar Medium, ISM), což je velmi řídký plyn a prach vyplňující prostor mezi hvězdami. Interakce slunečního větru s ISM vytváří několik zajímavých hraničních oblastí:

  1. Rázová vlna (Termination Shock): Je to místo, kde nadzvukový (přesněji „superalfvénický“, protože rychlost zvuku v plazmatu závisí na magnetickém poli ) sluneční vítr poprvé „ucítí“ tlak ISM a prudce zpomalí na podzvukovou rychlost. Při tomto zpomalení se plazma stlačí, zahřeje a zesílí se v něm i magnetické pole. Představte si to jako vodu z kohoutku dopadající na dno dřezu – rychle se rozstřikuje do stran (nadzvukový vítr) a na okraji této rozstřikující se vrstvy se vytvoří „val“ vody, kde se tok zpomalí (rázová vlna). Tato rázová vlna se nachází ve vzdálenosti zhruba 80–100 AU od Slunce. Sondy Voyager ji překročily: Voyager 1 v prosinci 2004 ve vzdálenosti 94 AU a Voyager 2 v srpnu 2007 ve vzdálenosti 84 AU. Rozdílné vzdálenosti ukazují, že heliosféra není dokonale kulatá, ale je pravděpodobně deformovaná tlakem ISM.
  2. Heliopauza (Heliopause): Toto je teoretická hranice, kde se tlak slunečního větru definitivně vyrovná s tlakem mezihvězdného média. Sluneční vítr zde v podstatě zastaví svůj postup vpřed a je odkloněn směrem „dozadu“, čímž formuje jakýsi ohon heliosféry. Heliopauza je považována za skutečnou hranici heliosféry – konec přímého vlivu slunečního plazmatu a magnetického pole. Nachází se zhruba ve vzdálenosti 120–123 AU od Slunce.
  3. Helioplášť (Heliosheath): Je to oblast mezi rázovou vlnou a heliopauzou. Zde se již podzvukový, ale stále horký a hustý sluneční vítr mísí a interaguje s částicemi ISM. Je to turbulentní, dynamická oblast. Některé modely a data z Voyagerů naznačují, že může obsahovat komplexní struktury, jako jsou magnetické bubliny nebo oblasti stagnace, kde rychlost slunečního větru klesá k nule.

 

 

Schéma heliosféry, bubliny vytvořené slunečním větrem v mezihvězdném prostředí. Ukazuje rázovou vlnu (Termination Shock), heliopauzu (Heliopause) a polohu sond Voyager, které heliopauzu překročily. Zdroje: NASA/JPL-Caltech,Wikipedia.


Právě překročení heliopauzy sondami Voyager vedlo k prohlášením, že vstoupily do „mezihvězdného prostoru“. Voyager 1 tuto hranici překročil 25. srpna 2012 ve vzdálenosti asi 121–122 AU. Voyager 2 následoval 5. listopadu 2018, když byl zhruba 119–122 AU od Slunce. Důkazy byly přesvědčivé: přístroje sond zaznamenaly dramatický pokles částic slunečního větru a naopak nárůst vysokoenergetických galaktických kosmických paprsků přicházejících z mezihvězdného prostoru. Klíčové bylo také měření hustoty okolního plazmatu a směru magnetického pole, které potvrdily, že sondy opustily doménu Slunce a vstoupily do prostředí formovaného jinými hvězdami.

 

Je ale zásadní pochopit, co tento „vstup do mezihvězdného prostoru“ znamená. Znamená to vstup do mezihvězdného média – tedy do prostoru vyplněného částicemi a poli, které nepocházejí od našeho Slunce. Z pohledu fyzika plazmatu nebo heliofyzika, který studuje interakci nabitých částic a magnetických polí, je heliopauza skutečně hranicí Sluneční soustavy. Ale jak si hned ukážeme, z pohledu gravitace je to úplně jiný příběh. Sondy Voyager sice opustily sluneční „magnetickou bublinu“, ale rozhodně neopustily Sluneční soustavu jako gravitačně vázaný systém.

 

Umělecká vize sondy Voyager v mezihvězdném prostoru po překonání heliopauzy. Stále však zůstává pod gravitačním vlivem Slunce. Zdroj: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI).

 

Ještě jedna poznámka k heliosféře: její tvar a velikost nejsou konstantní. Připomíná spíše kometu s dlouhým ohonem, protože se celá Sluneční soustava pohybuje mezihvězdným prostředím. Navíc, jak se mění aktivita Slunce během jeho 11letého cyklu, mění se i síla slunečního větru, a tím pádem heliosféra pulzuje – trochu se nafukuje a smršťuje. Data z mise IBEX dokonce naznačují, že heliopauza může být „zvlněná“. A co se týče tzv. příďové rázové vlny (Bow Shock), která by měla vznikat před heliosférou, jak se prodírá ISM (podobně jako vlna před přídí lodi), její existence je v současnosti sporná. Dřívější modely s ní počítaly, ale novější data z IBEX a Voyagerů naznačují, že Slunce se vůči ISM pohybuje možná příliš pomalu a mezihvězdné magnetické pole je příliš silné na to, aby vznikla ostrá rázová vlna. Místo toho se možná tvoří jen mírnější „příďová vlna“ (bow wave). Je to další ukázka toho, jak složité a dynamické jsou tyto vzdálené hranice.

Hranice podle gravitace: Kam až Slunce dosáhne svou neviditelnou rukou?

Zatímco heliopauza definuje dosah slunečního větru a magnetického pole na zhruba 120 AU, gravitační vliv Slunce sahá nepředstavitelně dál. Pro planetárního astronoma nebo kohokoli, kdo se zajímá o objekty obíhající kolem Slunce, je právě gravitace tím klíčovým kritériem pro definici Sluneční soustavy.

 

Teoretickým konceptem pro vymezení gravitační dominance jednoho tělesa (např. Slunce) vůči jinému masivnímu tělesu (např. galaktickému jádru nebo blízkým hvězdám) je Hillova sféra. Je to oblast prostoru kolem menšího tělesa, uvnitř které je jeho gravitace dostatečně silná na to, aby si „udržela“ své satelity navzdory gravitačnímu rušení od většího tělesa. Vše uvnitř Hillovy sféry Slunce je tedy gravitačně vázáno ke Slunci více než k čemukoli jinému v Galaxii.

 

Spočítat přesný poloměr Hillovy sféry Slunce v kontextu Galaxie je ale složité. Formule pro Hillovu sféru obvykle předpokládá dvě bodová tělesa nebo jedno dominantní centrální těleso. Gravitační pole Galaxie je ale tvořeno rozloženou hmotou (hvězdy, plyn, prach, temná hmota) a navíc jsou tu blízké hvězdy, které Slunce také ovlivňují. Různé odhady poloměru Hillovy sféry Slunce se proto liší, ale typicky se pohybují v řádu 1 až 4 světelných let, což odpovídá zhruba 63 000 až 250 000 AU. Jen pro srovnání, nejbližší hvězdný systém, Alfa Centauri, je vzdálený asi 4,25 světelného roku. To naznačuje, že gravitační dosah Slunce sahá téměř na půl cesty k nejbližším hvězdám.

 

Praktičtější a pozorovatelnější (i když stále z velké části hypotetickou) reprezentací gravitační hranice Sluneční soustavy je Oortův oblak. Tento koncept navrhl v roce 1950 nizozemský astronom Jan Oort, aby vysvětlil původ dlouhoperiodických komet, které přilétají ke Slunci ze všech směrů.

 

Oortův oblak si představujeme jako obrovskou, sférickou zásobárnu bilionů (možná i stovek bilionů) ledových těles – kometárních jader – která obklopuje vnitřní Sluneční soustavu. Předpokládá se, že má dvě hlavní části:

 

Sluneční soustava v logaritmickém měřítku. Vzdálenost planet je nepatrná ve srovnání s Oortovým oblakem, nejvzdálenější gravitačně vázanou strukturou, která sahá téměř do poloviny vzdálenosti k nejbližší hvězdě. Zdroj: NASA/JPL-Caltech.


Vnější okraj Oortova oblaku, kde gravitační vliv Slunce definitivně slábne a převládá vliv Galaxie a okolních hvězd, je tedy považován za kosmografickou hranici Sluneční soustavy z hlediska gravitace. Tato hranice leží někde mezi 100 000 a 200 000 AU, což zhruba odpovídá odhadům velikosti Hillovy sféry Slunce.

 

Současná představa Oortova oblaku, obrovské sférické zásobárny kometárních jader na samém okraji gravitačního vlivu Slunce. Zdroj: NASA/JPL-Caltech.

 

Nyní se můžeme vrátit k původní otázce čtenářů. Sondy Voyager jsou nyní ve vzdálenosti kolem 140–167 AU od Slunce (údaje k roku 2025). Jsou tedy jasně za heliopauzou (~120 AU), v mezihvězdném médiu. Ale jsou stále hluboko uvnitř Oortova oblaku (který začíná až za 2000 AU) a tedy i uvnitř Hillovy sféry Slunce. Bude jim trvat asi 300 let, než dosáhnou vnitřního okraje Oortova oblaku, a možná 30 000 let, než proletí skrz něj. Z gravitačního hlediska tedy Voyager rozhodně neopustily Sluneční soustavu a ještě dlouho ji neopustí.

Planeta Devět: Vetřelec, nebo jen další člen rodiny na vzdálené periferii?

A jak do tohoto obrázku zapadá hypotetická Planeta Devět? Její existence byla navržena na základě zvláštního shlukování drah některých vzdálených transneptunických objektů. Odhady její dráhy a vzdálenosti se liší, ale pro účely naší diskuze, navazující na předchozí článek, uvažujme typickou vzdálenost kolem 500–700 AU od Slunce.

 

Umístěme tuto vzdálenost do kontextu našich dvou definic hranic:

 

Závěr je tedy jasný: Planeta Devět, pokud na nás tam venku skutečně čeká, by byla plnohodnotným členem Sluneční soustavy z hlediska gravitace, i když by se pohybovala v „mezihvězdném“ prostředí mimo heliosféru. Její případná existence by tak elegantně ilustrovala rozdíl mezi těmito dvěma pohledy na „hranici“ našeho solárního systému. Zdůraznila by, že Sluneční soustava je mnohem rozsáhlejší gravitační systém, než kam dosáhne dech slunečního větru.

 

##seznam_reklama##

Proč jsou hranice takové potvory: Analogie zblízka i zdaleka

Abychom lépe pochopili, proč je definování hranic (nejen ve vesmíru) tak ošemetné, podívejme se na dvě pozemské analogie.

Kármánova linie a komerční „raketová hopsadla“ do vesmíru

Kde končí zemská atmosféra a začíná kosmický prostor? Podobně jako u Sluneční soustavy, ani zde neexistuje žádná ostrá fyzikální hranice. Atmosféra postupně řídne s rostoucí výškou. Přesto byla potřeba nějaká definice – pro právní účely (komu patří vzdušný prostor?), pro regulaci, pro uznávání rekordů v letectví a kosmonautice.

 

Nejčastěji se používá Kármánova linie, pojmenovaná po maďarsko-americkém vědci Theodoru von Kármánovi. Mezinárodní letecká federace (FAI) ji definuje ve výšce 100 kilometrů (asi 62 mil) nad střední hladinou moře. Koncepčně vychází z myšlenky, že v této výšce je atmosféra už tak řídká, že letadlo by muselo letět rychleji než orbitální rychlostí, aby se udrželo ve vzduchu pomocí aerodynamického vztlaku křídel. Jinými slovy, zde končí aeronautika a začíná astronautika.

 

Jenže i tato definice je do značné míry arbitrární. Von Kármán sám původně vypočítal tuto výšku spíše kolem 84 km (asi 52 mil). Výška 100 km byla zvolena spíše jako hezké, kulaté číslo. Navíc skutečná výška, kde aerodynamické síly přestanou stačit, závisí na tvaru letadla a aktuálních podmínkách v atmosféře, která se mění.

 

Proto existuje konkurenční definice, používaná například americkou armádou, NASA a FAA, která hranici vesmíru klade do výšky 50 mil (asi 80 kilometrů). Tato výška má také své opodstatnění – leží poblíž mezopauzy (nejchladnější části atmosféry) a je to zhruba výška, pod kterou se už ani satelity na velmi eliptických drahách s nízkým perigeem dlouhodobě neudrží kvůli odporu atmosféry. V roce 2018 dokonce FAI zvažovala, že by svou definici snížila na 80 km, aby lépe odpovídala fyzikálním a historickým argumentům.

 

Zemská atmosféra na snímku z Mezinárodní vesmírné stanice. Oranžová a zelená linie vzdušného záření se nachází zhruba ve výšce Kármánovy linie. Autor: Earth Science and Remote Sensing Unit, Lyndon B. Johnson Space Center


Tato nejednoznačnost a debata o „správné“ hranici vesmíru nahrává komerčním firmám nabízejícím suborbitální lety – ona „raketová hopsadla“, jak jsme je v úvodu nazvali. Společnosti jako Blue Origin se chlubí tím, že jejich raketa New Shepard vynese turisty nad 100 km hranici FAI, čímž jim zajistí „oficiální“ status astronauta bez hvězdičky. Naopak lety Virgin Galactic se SpaceShipTwo často dosahují výšek spíše kolem 80–90 km, což je nad americkou definicí, ale pod tou mezinárodní. Tento „závod ke Kármánově linii“ ukazuje, jaký marketingový a komerční význam může mít zdánlivě akademická definice hranice. Stejně jako u Sluneční soustavy, i zde vidíme, že definice hranice není jen o fyzice, ale i o konvencích, historii a v moderní době i o byznysu.

Hranice Evropy a Asie: Více kultury a historie než geografie?

Další příklad arbitrární hranice najdeme přímo na naší planetě. Kde končí Evropa a začíná Asie? Geograficky tvoří Evropa a Asie jeden obrovský kontinent – Eurasii. Neexistuje mezi nimi žádný oceán ani jasná geologická příkopová propadlina.

 

Rozdělení na dva kontinenty je především historický a kulturní konstrukt. Původ má ve starověkém Řecku, kde geografové začali rozlišovat země na západ od Egejského moře (Evropa) a na východ (Asie). Byla to snaha odlišit „svůj“ svět od „cizího“, která přetrvala staletí a byla postupně mapována na geografické útvary.

 

Dnes nejčastěji přijímaná hranice vede od Severního ledového oceánu pohořím Ural, poté řekou Ural ke Kaspickému moři, dále podél Kavkazského pohoří (obvykle po jeho rozvodí) k Černému moři a nakonec Tureckými úžinami (Bospor a Dardanely) do Egejského moře.

 

I tato „standardní“ hranice je ale plná nejasností a arbitrárnosti:

Existence transkontinentálních států, jako jsou Rusko, Turecko, Kazachstán, Gruzie a Ázerbájdžán, jejichž území leží na obou stranách této konvenční hranice, dále podtrhuje její umělost. Stejně tak města jako Istanbul nebo Orenburg leží na „hranici“.

 

Eurasie – jeden kontinent, nebo dva? Různé historicky navrhované hranice mezi Evropou a Asií ukazují arbitrárnost této definice, která je více kulturní a historická než striktně geografická. Zdroj: Wikimedia Commons / Aotearoa, CC BY-SA 4.0 / Upraveno.


Analogie s hranicí Sluneční soustavy je zřejmá. Stejně jako hranice Evropy a Asie není dána jedinou jasnou geografickou čarou, ale spíše konvencí založenou na historii a kultuře, tak i hranice Sluneční soustavy závisí na tom, jakou „kulturu“ (fyzikální jev – plazma nebo gravitaci) si zvolíme jako definiční kritérium.

Závěr: Hranice jako stav mysli (a fyzikální definice)

Takže, kde je ta hranice Sluneční soustavy? Odpověď zní: záleží na tom, jak se ptáte. Neexistuje jedna jediná, univerzální odpověď.

Tento rozdíl elegantně shrnuje následující tabulka:

Kritérium (Criterion) Fyzikální základ (Physical Basis) Definující útvar/jev (Defining Feature/Phenomenon) Přibližná vzdálenost od Slunce (Approximate Distance from Sun) Co definuje? (What does it define?)
Sluneční vítr / Magnetismus Plasma, magnetické pole Heliopauza (Heliopause) ~120 AU Konec přímého vlivu slunečního větru, přechod do mezihvězdného média (End of direct solar wind influence, transition into interstellar medium)
Gravitace Gravitační pole Slunce Oortův oblak / Hillova sféra (Oort Cloud / Hill Sphere) ~100 000 - 200 000 AU (~1.5 - 3 ly) Oblast gravitační dominance Slunce, nejvzdálenější vázané objekty, hranice Sluneční soustavy (Region of Sun's gravitational dominance, most distant bound objects, boundary of the Solar System)

 

Sondy Voyager tedy opustily heliosféru, ale jsou stále hluboko uvnitř gravitační Sluneční soustavy. Hypotetická Planeta Devět by se také nacházela v tomto vnějším gravitačním hájemství, ale mimo heliosféru.

 

Analogicky, Kármánova linie ukazuje, jak praktické potřeby (regulace, rekordy) a dokonce i marketing vedou k definování hranice tam, kde fyzika nabízí spíše plynulý přechod. A hranice mezi Evropou a Asií je připomínkou toho, jak hluboce zakořeněné historické a kulturní představy mohou formovat naše vnímání geografické reality.

 

Definování hranic nám pomáhá třídit a chápat svět (a vesmír) kolem nás. Je ale dobré si pamatovat, že jsou to často lidské konstrukty, které aplikujeme na složité a spojité přírodní jevy. Vesmír sám o sobě nemusí mít ostré hrany tam, kde bychom si je přáli narýsovat. A naše pokračující zkoumání – ať už sondami Voyager, hledáním Planety Devět, nebo budoucími misemi – bude tyto koncepty jistě dále zpřesňovat a možná i měnit.

Zdroje a další čtení


Autor: Viktor Lošťák
Datum:29.04.2025