Sažetak rada
Ovaj rad daje pregled naučnih otkrića misija Vojadžer 1 i Vojadžer 2, sa posebnim naglaskom na fiziku granice heliosfere — heliopauze — koju su obe sonde direktno izmerile 2012. i 2018. godine. Analiziraju se planetarni susreti sa Jupiterom, Saturnom, Uranom i Neptunom, kao i podaci prikupljeni instrumentima za plazmu (Plasma Science, PLS) i plazma talase (Plasma Wave System, PWS) tokom prelaska granice. Posebna pažnja posvećena je izmerenim vrednostima gustine, brzine i temperature plazme, kao i teorijskom okviru ravnoteže pritisaka koji objašnjava opaženi skok gustine na granici.
1. Uvod
Sonde Vojadžer 1 i Vojadžer 2, lansirane 1977. godine u okviru misije koja je iskoristila retku planetarnu konfiguraciju poznatu kao “Grand Tour”, predstavljaju jedine ljudske objekte koji su direktno izmerili uslove na granici Sunčevog sistema i u bliskom međuzvezdanom prostoru. Heliosfera, mehur naelektrisanih čestica koji Sunce projektuje u okolni prostor, sastoji se od nekoliko slojeva: terminacionog šoka, heliosheath-a i heliopauze, iza koje počinje veoma lokalna međuzvezdana sredina (Very Local Interstellar Medium, VLISM).
2. Putanje i planetarni susreti
2.1 Vojadžer 1
Vojadžer 1 je lansiran 5. septembra 1977. godine i posetio je Jupiter (mart 1979) i Saturn (novembar 1980), pre nego što je putanja usmerena ka bliskom prolasku pored meseca Titan izbacila sondu iz ravni ekliptike, onemogućivši dalje planetarne susrete. Ključna otkrića uključuju prvu potvrdu aktivnog vulkanizma na Iju i detaljnu strukturu Saturnovih prstenova, uključujući fenomen radijalnih “žbica”.
2.2 Vojadžer 2
Vojadžer 2, lansiran 20. avgusta 1977, ostaje jedina sonda koja je posetila sve četiri spoljašnje planete: Jupiter (1979), Saturn (1981), Uran (1986) i Neptun (1989). Na Uranu je izmereno neobično magnetno polje nagnuto oko \(59^\circ\) u odnosu na osu rotacije, dok je na Neptunu izmerena Velika tamna pega i najjači vetrovi u Sunčevom sistemu, sa brzinama preko \(2000\ \text{km/h}\).
3. Struktura heliosfere
Heliosfera se sastoji od tri glavna sloja kroz koje su obe sonde prošle:
- Terminacioni šok — granica gde solarni vetar prelazi iz nadzvučnog u podzvučni režim strujanja.
- Heliosheath — turbulentan, zgusnut i zagrejan sloj solarnog vetra.
- Heliopauza — granica na kojoj pritisak solarnog vetra postaje jednak pritisku VLISM-a.
Datumi i udaljenosti prelaska ovih granica prikazani su u Tabeli 1.
| Granica | Vojadžer 1 | Vojadžer 2 |
|---|---|---|
| Terminacioni šok | decembar 2004, \(94\ \text{AJ}\) | avgust 2007, \(84\ \text{AJ}\) |
| Heliopauza | avgust 2012, \(121\ \text{AJ}\) | novembar 2018, \(119\ \text{AJ}\) |
4. Fizika ravnoteže pritisaka na heliopauzi
Položaj i stabilnost heliopauze određeni su ravnotežom pritiska solarnog vetra i pritiska VLISM-a. Ukupni pritisak solarnog vetra na datoj radijalnoj udaljenosti \(r\) od Sunca može se izraziti kao zbir dinamičkog, termalnog i magnetnog pritiska:
\[ P_{SW}(r) = \rho_{SW}(r)\, v_{SW}^2(r) + n_{SW}(r)\, k_B T_{SW}(r) + \frac{B_{SW}^2(r)}{2\mu_0} \]gde je \(\rho_{SW}\) gustina mase solarnog vetra, \(v_{SW}\) njegova brzina, \(n_{SW}\) brojna gustina čestica, \(T_{SW}\) temperatura, \(B_{SW}\) jačina magnetnog polja, \(k_B\) Bolcmanova konstanta, a \(\mu_0\) permeabilnost vakuuma. S druge strane, pritisak VLISM-a dat je izrazom:
\[ P_{ISM} = n_{ISM}\, k_B T_{ISM} + \frac{B_{ISM}^2}{2\mu_0} + P_{cr} \]gde je \(P_{cr}\) doprinos pritiska galaktičkih kosmičkih zraka. Heliopauza se nalazi na radijalnoj udaljenosti \(r_{HP}\) za koju važi:
\[ P_{SW}(r_{HP}) = P_{ISM} \]Pošto dinamički pritisak solarnog vetra opada približno kao \(r^{-2}\) u unutrašnjoj heliosferi, a znatno sporije u heliosheath-u usled usporavanja i kompresije, ravnotežni radijus zavisi i od trenutnog stanja solarne aktivnosti, što objašnjava zapaženu asimetriju heliopauze između pravca Vojadžera 1 (121 AJ) i Vojadžera 2 (119 AJ).
5. Merenja plazme na heliopauzi (Vojadžer 2, 2018–2019)
5.1 Gustina
Teorija ravnoteže pritisaka predviđala je skok brojne gustine elektrona na heliopauzi za faktor između 20 i 50. Gustina plazme u spoljašnjoj heliosferi tipično iznosi:
\[ n_e^{HS} \approx 0{,}002\ \text{cm}^{-3} \]dok je prva izmerena gustina elektrona u međuzvezdanom prostoru, zabeležena 30. januara 2019. na udaljenosti od \(119{,}7\ \text{AJ}\), iznosila:
\[ n_e^{ISM} = 0{,}039 \pm 15\%\ \text{cm}^{-3} \]Odnos gustina daje faktor skoka:
\[ \frac{n_e^{ISM}}{n_e^{HS}} = \frac{0{,}039}{0{,}002} \approx 19{,}5 \approx 20 \]što je u dobroj saglasnosti sa teorijskim predviđanjem i potvrđuje prelazak u znatno gušću sredinu VLISM-a.
5.2 Granični prelazni sloj
Neposredno pre same heliopauze, na širini od približno \(1{,}5\ \text{AJ}\), zabeležena je prelazna zona u kojoj se plazma usporava, zagreva i postaje dvostruko gušća od tipične plazme u heliosheath-u. Tanji granični sloj počinje oko \(0{,}06\ \text{AJ}\) unutar heliopauze, gde radijalna brzina \(v_r\) opada dok gustina \(n\) i magnetno polje \(B\) rastu. Sam prelaz odigrao se u vremenskom intervalu:
\[ \Delta t_{HP} < 1\ \text{dan} \]5.3 Temperatura
Merenja Vojadžera 2 pokazala su temperaturu plazme neposredno uz heliopauzu u opsegu:
\[ T_{VLISM}^{izmereno} = 30\,000 \text{–} 50\,000\ \text{K} \]što je znatno više od ranijih teorijskih predviđanja:
\[ T_{VLISM}^{predviđeno} = 15\,000 \text{–} 30\,000\ \text{K} \]Konverzija u Celzijusove stepene vrši se prema relaciji \(T_{[°C]} = T_{[K]} – 273{,}15\):
\[ T_{VLISM}^{izmereno} \approx 29\,727 \text{–} 49\,727\ °C \]Ova povišena temperatura objašnjava se kompresijom i zagrevanjem plazme pri sudaru sa heliosferom; dublje u međuzvezdanom prostoru, prava ravnotežna temperatura VLISM-a iznosi svega \(T_{ISM} \approx 7500\ \text{K} \approx 7227\ °C\).
Za poređenje, tokom prolaska kroz terminacioni šok (2007) i heliosheath, zabeležene su znatno više temperature usled kompresije solarnog vetra:
\[ T_{TS} > 100\,000\ \text{K} \approx 99\,727\ °C, \qquad T_{heliosheath} = 20\,000 \text{–} 200\,000\ \text{K} \approx 19\,727 \text{–} 199\,727\ °C \]6. Zbirni pregled izmerenih temperatura
| Region | Temperatura (K) | Temperatura (°C) |
|---|---|---|
| Solarni vetar (unutar heliosfere) | 3.000–30.000 K | ≈ 2.727–29.727 °C |
| Heliosheath (posle terminacionog šoka) | 20.000–200.000 K | ≈ 19.727–199.727 °C |
| Odmah uz heliopauzu (izmereno, VLISM) | 30.000–50.000 K | ≈ 29.727–49.727 °C |
| Predviđanje za VLISM (pre merenja) | 15.000–30.000 K | ≈ 14.727–29.727 °C |
| Dublji, ravnotežni međuzvezdani prostor | 7.500 K | ≈ 7.227 °C |
7. Magnetno polje na granici
Neočekivan rezultat oba prelaska heliopauze jeste da se pravac magnetnog polja nije značajno promenio pri prelasku iz solarnog u međuzvezdano polje:
\[ \vec{B}_{SW} \parallel \vec{B}_{ISM} \]Ovo je bilo suprotno teorijskim očekivanjima prema kojima bi magnetno polje VLISM-a trebalo da bude nagnuto pod uglom u odnosu na solarno magnetno polje, usled draperije međuzvezdanog polja oko heliosfere. Rezultat je nezavisno potvrđen na obe sonde, čime je isključena mogućnost instrumentalne greške.
8. Zaključak
Merenja sondi Vojadžer 1 i Vojadžer 2 obezbedila su prve direktne podatke o fizičkim uslovima na granici heliosfere i u bliskom međuzvezdanom prostoru. Izmerene vrednosti gustine, potvrđene faktorom skoka od približno 20, saglasne su sa teorijom ravnoteže pritisaka, dok su izmerene temperature u opsegu \(30\,000\)–\(50\,000\ \text{K}\) (\(\approx 29\,727\)–\(49\,727\ °C\)) značajno više od ranijih predviđanja, ukazujući na intenzivnu kompresiju i zagrevanje plazme neposredno uz granicu. Nepromenjen pravac magnetnog polja ostaje otvoreno pitanje za teorijske modele heliosfere. Obe sonde nastavljaju da prikupljaju podatke iz međuzvezdanog prostora, pružajući jedinstven, kontinuirani uvid u strukturu lokalne galaktičke sredine.
Reference
Richardson, J. D., Belcher, J. W., Garcia-Galindo, P., Burlaga, L. F. (2019). Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium. Nature Astronomy, 3, 1019–1023.
Gurnett, D. A., Kurth, W. S. (2019). Plasma densities near and beyond the heliopause from the Voyager 1 and 2 plasma wave instruments. Nature Astronomy, 3, 1024–1028.
Krimigis, S. M. et al. (2019). Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the heliopause and beyond. Nature Astronomy, 3, 997–1006.
Stone, E. C., Cummings, A. C., Heikkila, B. C., Lal, N. (2019). Cosmic ray measurements from Voyager 2 as it crossed into interstellar space. Nature Astronomy, 3, 1013–1018.