Sonda Międzygwiazdowa: pierwszy świadomie zamierzony krok ludzkości w podróży przez Galaktykę Drukuj
czwartek, 21 maja 2020 11:40

W 1977 roku zostały wystrzelone dwie sondy Voyager 1 i 2, których głównym zadaniem była eksploracja układów Jowisza i Saturna. Po zakończonych sukcesem przelotach obok tych planet NASA przedłużyła misję sondy Voyager 2 do, kolejno, Urana i Neptuna.

Badanie planet zakończyło się wraz z przelotem Voyagera 2 obok Neptuna w 1989 roku. Po zakończeniu eksploracji planet misja Voyager została przekształcona 1 stycznia 1990 roku w misję międzygwiazdową. Zadaniem obu Voyagerów stało się badanie krańcowych obszarów heliosfery oraz pomiar właściwości fizycznych przestrzeni międzygwiazdowej. Jednak pomimo tak wyznaczonego celu, nie można było przewidzieć jak daleko szybowanie Voyagerów będzie kontrolowane, w jakiej odległości od przekroczenia granicy heliosfery instrumenty tej misji będą miały kontakt z Ziemią. Ten krok w kierunku badania przestrzeni międzygwiazdowej nie był zrobiony świadomie. A jednak Misja Międzygwiazdowa do Lokalnego Ośrodka Międzygwiazdowego była dyskutowana i studiowana już od momentu powstania NASA w 1958 roku. Ludzkość tego chciała, ale możliwości do urzeczywistnienia tego zamierzenia pojawiły się dużo później. Obecnie marzenia urealniają się. Między innymi dlatego, że począwszy od odkrycia wiatru słonecznego przez profesora Eugene’a Parkera w tymże 1958 roku, jego pierwszych modeli oddziaływania wiatru słonecznego z materią międzygwiazdową, naukowcy tworzyli coraz bardziej wyrafinowane modele tego oddziaływania, coraz lepiej odwzorowujące powstającą w wyniku tego oddziaływania heliosferę, w której żyjemy.

Co to jest heliosfera?

Heliosfera to obszar przestrzeni kosmicznej, zanurzony w ekspandującej koronie słonecznej przenikniętej słonecznym polem magnetycznym. W jej wnętrzu znajduje się Słońce, a ekspandująca korona słoneczna to nieustannie emitowany z jego powierzchni strumień naładowanych cząstek – wiatr słoneczny. Heliosfera rzeźbi w otaczającej ją materii międzygwiazdowej „jamę”. Tam, gdzie ciśnienia wiatru słonecznego zrównują się z sumą ciśnień materii międzygwiazdowej powstaje granica obu ośrodków – heliopauza. Na strukturę i kształt heliosfery ma wpływ wiele fizycznych zjawisk opisanych w bogatej literaturze. W szczególności pole magnetyczne ośrodka międzygwiazdowego, którego kierunek i natężenie nie było znane. W tym zakresie jest nasz polski istotny wkład. W latach 1994-96 pracowałam w NASA Ames Research Center. Moja praca polegała na stworzeniu modelu magnetohydrodynamicznego heliosfery, uwzględniającego z konieczności dowolny kierunek i natężenie tego pola. Wynikiem powstałego modelu, było odkrycie asymetrii heliosfery. Artykuł na ten temat został opublikowany w 1998 roku (Ratkiewicz et al., Astronomy & Astrophysics, 335, p.363, 1998).

rys1

Schematyczny rysunek oddziaływania plazmy wiatru słonecznego ze zjonizowaną składową materii międzygwiazdowej, przenikniętą międzygwiazdowym polem magnetycznym. (Credit: R. Ratkiewicz).

Gdzie obecnie są Voyagery?

Voyager 1 przekroczył heliopauzę w sierpniu 2012 roku, a Voyager 2 w listopadzie 2018. Zatem obie sondy są już w ośrodku międzygwiazdowym, ale zasilanie w energię elektryczną obu Voyagerów wystarczy do utrzymania funkcjonowania sond i łączności z Ziemią zaledwie do około 2025 roku. Do tego czasu najpewniej Voyagery stale pozostawać będą w zaburzonej istnieniem heliosfery materii międzygwiazdowej.

A naszym celem jest nieuchronne zmierzanie do ekspansji przez morze kosmosu do innych Słońc.

Planowana Sonda Międzygwiazdowa realizuje pierwszy taki świadomie zamierzony krok w podróży po Galaktyce. Droga poza wpływ Słonecznej sfery otwiera niezwykłe możliwości dla astrofizyki, heliofizyki i nauki o planetach.

rys2

Schemat heliosfery z zaznaczonymi pozycjami Voyagera 1 i 2 (nie w skali – Credit: NASA/JPL – Caltech)

rys3

Rysunek ilustruje drogę do przebycia Sondy Międzygwiazdowej w kierunku najbliższej nas gwiazdy Alpha Centauri (około 200 000 AU), choć celem Sondy to osiągnięcie 400-1000 AU. Idąc od Słońca mamy System Planetarny z Pasem Asteroid, Pas Kuipera, Szok Terminalny, Heliopauzę, Voyagera 1 za HP, Voyagera 2 jeszcze przed HP, Bow Szok, Niezaburzoną Materię Międzygwiazdową, Obłok Oorta (~10000j.a.(?)), Alpha Centauri. (Credit: Brandt et al., 2018)

 

Poniżej omawiamy niektóre obiekty związane z badaniami, które ma do wykonania Sonda i czego się po nich spodziewamy.

rys4

Gdy Sonda Międzygwiazdowa przewędruje do niezaburzonego ośrodka międzygwiazdowego, (na rysunku poprzednim obszar przed Bow Shock od prawej strony) będzie to pierwsze w historii ludzkości spojrzenie na naszą własną astrosferę czyli heliosferę z zewnątrz, pozwalając nam na ekstrapolację i zrozumienie innych astrosfer z ich układem planetarnym czyli egzoplanetami (powyżej rysunek z lewej strony). Na rysunku (powyżej po prawej stronie) heliopauza widziana od strony heliosfery - nasze obecne rozumienie przedstawiające wstęgę IBEXa pochodzącą z obrazów strumienia Energetycznych Atomów Neutralnych (ENA). (Credit: Brandt et al., 2018)

rys5

 

Historia ewolucji Układu Słonecznego. Klucz do ewolucji naszego i innych układów planetarnych można znaleźć, badając rozkład pyłu w Układzie Słonecznym aż do Obłoku Oorta. Uważa się, że pył jest produkowany przez komety pochodzące z Obłoku Oorta, a także przez zderzenia asteroidów i obiektów z pasu Kuipera.

Podczas swojego lotu na zewnątrz, Sonda Międzygwiazdowa po raz pierwszy odsłoni przed nami niedostępny dotychczas dla obserwacji rozkład pyłu w zewnętrznym Układzie Słonecznym i umożliwi stworzenie pierwszej mapy trójwymiarowej okołosłonecznego dysku pyłowego, jakie występują powszechnie wokół innych gwiazd. (Credit: Brandt et al., 2018)

 

 

 

 

rys6

 

 

Okno obserwacyjne na wczesne galaktyki i  formowanie się gwiazd. Około-gwiazdowe dyski pyłowe obserwowane wokół innych gwiazd zawierają w sobie ślady narodzin i formowania się planet, których nie można bezpośrednio zaobserwować w młodych układach ze względu na przesłanianie przez pył. Widoczne na tym obrazie nietypowe struktury spiralne uważa się za oznaki obecności masywnych planet w procesie tworzenia. (Credit: Brandt et al., 2018)

 

Idea Misji do Lokalnego Ośrodka Międzygwiazdowego ożyła w naszym stuleciu. Nowsze badania zaczęły dostrzegać jej krytyczne znaczenie dla wspomnianych wyżej dyscyplin – astrofizyki, heliofizyki i nauki o planetach. Przyczyniło się do tego przecięcie granicy heliosfery – heliopauzy przez oba Voyagery 1 i 2 oraz przeloty New Horizons koło Plutona i obiektu transneptunowego z Pasa Kuipera MU69.

 

Oczywiście z celami naukowymi wiążą się istotne zadania techniczne dotyczące samej Sondy, rakiety, jej trajektorii, aparatury, zasilania, komunikacji. Te zagadnienia są w toku dyskusji i będą omawiane sukcesywnie w miarę poczynionych ustaleń.

Dla przykładu, pierwotnie rozważano dwa scenariusze misji:

1. Asysta grawitacyjna z wykorzystaniem Jowisza

2. Asysta grawitacyjna z wykorzystaniem Słońca

Niezależnie od scenariusza, wyniesienie sondy planowano zrealizować z wykorzystaniem „Space Launch System”(SLS) – ciężkiej rakiety nośnej opracowywanej przez NASA (Poniżej rysunek z lewej strony). Pierwszy start SLS przewidziany obecnie na rok 2021.

Scenariusz 1 zakładał, że SLS umieści sondę (rysunek środkowy) wprost na trajektorii dolotowej do Jowisza. Podczas przelotu przy planecie nastąpi realizacja manewru asysty grawitacyjnej. Scenariusz 2 zakładał, że SLS umieści sondę (rysunek prawy) wprost na trajektorii dolotowej w pobliże Słońca, gdzie w odległości 9.4 promienia Słonecznego przeprowadzony zostanie manewr z wykorzystaniem asysty grawitacyjnej Słońca.

Odległość manewru podyktowana jest minimalną odległością możliwą do uzyskania z wykorzystaniem SLS bezpośrednio (bez asyst grawitacyjnych innych ciał).

 

rys7

(Credit: Brandt et al., 2018)

 

Sonda Międzygwiazdowa a CBK PAN: jak się zaczęła współpraca z USA

3 lipca 2018 roku otrzymałam od Dr. Ralpha McNutta, z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, który jest zaangażowany w misję Interstellar Probe jako Principal Investigator, e-mail następującej treści:

„Otrzymali Państwo tego e-maila, ponieważ wyrazili zainteresowanie Sondą Międzygwiazdową, misją do otaczającego heliosferę ośrodka, o której wielokrotnie mówiono w kręgach naukowych od kilkudziesięciu lat.” W tym e-mailu był podany kalendarz spotkań planowanych do końca roku na temat misji, m.in. 2018 Fall AGU Meeting z sugestią wysłania abstraktu na sesję poświęconą Sondzie. Abstrakt został wysłany, zaakceptowany, mój referat wygłosiłam 12 grudnia 2018 na sesji „The Interstellar Probe Mission: Study Findings and Next Steps”. W 2019 roku chairman tej sesji dr Pontus Brandt przysłał mi poster z prośbą o rozpowszechnienie w Polsce. W okresie wrzesień 2019 do lutego 2020 wygłosiłam 6 prezentacji w Warszawie, okolicach i na wyspie Wolin, pięć dalszych miałam zaplanowane. Pandemia zmusiła nas do znalezienia innej formy rozpowszechniania informacji o Sondzie Międzygwiazdowej.


Zapraszam wszystkich zaineresowanych do pracy związanej z wszelkiego rodzaju zagadnieniami związanymi z Sondą: naukowymi, technicznymi, technologicznymi. Zagadnienia te wymagają odpowiedniego wieloletniego przygotowania, by posiąść niezbędną wiedzę obejmującą fizykę plazmy, astronomię, matematykę, umiejętności programowania w zakresie skomplikowanych symulacji numerycznych, wizualizacji wyników, obróbki danych, robotyki, budowy zamieszczanych na sondzie instrumentów, budowy rakiet i paliw do nich. Dla nas wszystkich, począwszy od startu Sondy, zakładanego w latach 30-tych naszego stulecia do ewentualnego osiągnięcia celu po 50 latach, będzie to okres ogromnej, wytężonej pracy. Zrozumiałe jest zatem rozpoczęcie przygotowań już teraz i zaproszenie do współpracy nawet tych najmłodszych 13-14 letnich, którzy w momencie startu Sondy np. w 2035 roku, będą mieli już około 30 lat. Mogę zapewnić, że korzyści z zaangażowania w taką pracę, nie tylko finansowe, ale przede wszystkim satysfakcję z jej wykonywania, będą czerpali przez całe życie. Taka praca to wielka zabawa i wieczny urlop.

Najświeższe informacje na temat misji:

Interstellar Probe: the next step, Ralph McNutt, Mike Gruntman, Stamatios Krimigis, Edmond Roelof, Pontus Brandt, Kathleen Mandt, Steven Vernon, Michael Paul, and Robert Stough,

Interstellar Probe: Pushing the Frontier of Space Science, Pontus Brandt, Kathleen Mandt, Elena Provoronikova, Casey Lisse, Kirby Runyon, Abigail Rymer, Ralph McNutt, and Michael Paul and the The Interstellar Probe.

Są to prezentacje European Geoscience Union General Assembly 2020.

(uwaga: po kliknięciu na link EGU, napisać w białym polu Pontus Brandt, kliknąć i aby pobrać dwie pierwsze prezentacje, kliknąć na tytuł, przewinąć abstrakt do końca i kliknąć na ikonkę do pobrania)

 

Zainteresowanych prosimy o wypełnienie ankiety:

Kontakt: https://forms.gle/Qes8RKSeuBeyfRMw6

Skontaktujemy się z Państwem.

 

Dr hab. Romana Ratkiewicz, prof. Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK PAN)

CBK Instytut naukowy Polskiej Akademii Nauk założony w 1977 r.

Główne obszary działalności:

Fizyka kosmiczna
Geodezja przestrzenna
Teledetekcja
Technologie kosmiczne

 

rys8

Poprawiony: piątek, 22 maja 2020 16:34