Sondy Voyager překročily hranici sluneční soustavy a odhalily, že heliosféra – bublina tvořená slunečním větrem – není kulatá, jak jsme si mysleli. Je nerovnoměrná, dynamická a možná méně spolehlivá jako štít proti kosmickému záření, než jsme doufali. Vědci tak musí přepsat mapu našeho vesmírného domova.
Dlouhou dobu jsme si sluneční soustavu kreslili jako jakousi víceméně kulovou bublinu, jakousi planetu obrovských rozměrů, uvnitř které se nacházejí všechny planety a Slunce. Hranice této koule se nazývá heliopauza. A tento obraz je součástí naší populární představivosti, objevuje se v knihách, školních schématech a dokonce i v logu misí. Ale sonda Voyager, vypuštěná v roce 1977, která je nyní nechtěným mezihvězdným průzkumníkem, dokazuje, že tato bublina je mnohem podivnější, asymetričtější a možná i nepochopenější, než jsme si mysleli. Vezměme to pěkně popořadě.
Nejprve si uvědomme, že naše planeta, Slunce, sluneční soustava i galaxie se pohybují. Naše planeta se na své pouti kolem Slunce pohybuje rychlostí přes 100 000 km/h. Naše hvězda se na své galaktické dráze pohybuje rychlostí přibližně 828 000 km/h. A konečně samotná Mléčná dráha se pohybuje vzhledem k ostatním blízkým galaxiím, přitahována hustými oblastmi, jako je Velký atraktor (gravitační anomálie, která přitahuje všechny galaxie v okruhu více než 300 milionů světelných let). A to rychlostí více než 2 miliony kilometrů za hodinu.
To vše činí poznání tvaru a velikosti sluneční soustavy velmi složitým. Ale je toho ještě víc. Skutečné rozměry sluneční soustavy nejsou omezeny Plutem nebo dokonce Oortovým oblakem, ale tím, kam až sahá sluneční vliv, tj. neustálý proud nabitých částic, které Slunce vysílá do všech směrů. Tam, kde tento vítr ztrácí sílu proti plynnému prostředí a magnetickému poli galaxie, vzniká heliopauza, fyzikální hranice, kde Slunce již není dominantní. Voyager 1 překročil tuto hranici v roce 2012 a Voyager 2 v roce 2018, překvapivé však je, že se tak stalo v různých vzdálenostech (téměř 400 milionů kilometrů, což je dvojnásobek vzdálenosti, která nás dělí od Slunce) a za velmi odlišných podmínek.
Tento rozdíl je jedním z velkých vodítek. Pokud by heliosféra byla víceméně kulová, měly by obě sondy najít hranici v podobné vzdálenosti a s podobnými signály. To se však nestalo. Voyager 1 proletěl relativně „klidnou“ oblastí s malými náhlými změnami částic a magnetických polí. Voyager 2 naproti tomu překročil mnohem turbulentnější oblast s rázy, vlnami a intenzivními změnami. To naznačuje, že heliosféra je deformovaná, pravděpodobně na jedné straně stlačená a na druhé roztažená, jako bublina tlačená bočním větrem.
Zde vstupuje do hry něco klíčového: mezihvězdné magnetické pole. Dlouhá léta se mělo za to, že jeho vliv je druhotný, ale měření Voyagerů ukazují, že toto galaktické magnetické pole má orientaci a sílu schopnou významně formovat heliosféru. Namísto kulaté bubliny nebo dokonce kometovitého tvaru s dlouhým chvostem ukazují některé současné modely spíše na strukturu podobnou rohlíku nebo stočené bublině s magnetickými „rohy“ a oblastmi, kde je sluneční vítr usměrňován nečekaným způsobem.
Donedávna se v mnoha učebnicích standardně používal obraz jakési obří komety: zaoblená „hlava“ orientovaná ve směru pohybu Slunce Galaxií a velmi dlouhý ohon táhnoucí se opačným směrem. Tento tvar dával intuitivní smysl: pokud se Slunce pohybuje mezihvězdným prostředím, zdálo by se logické, že sluneční vítr bude vpředu stlačený a vzadu roztažený. Přímá měření sondy Voyager a novější simulace však začaly tento jednoduchý pohled bořit.
Abychom tomu porozuměli, je užitečné objasnit si některé základní pojmy:
- Sluneční vítr: proud nabitých částic (především protonů a elektronů), který proudí ze Slunce všemi směry rychlostí stovek kilometrů za sekundu.
- Heliosféra: oblast vesmíru ovládaná tímto slunečním větrem a magnetickým polem Slunce. V praxi se jedná o „bublinu“, která obklopuje sluneční soustavu.
- Terminální ráz: oblast, kde se sluneční vítr, pohybující se směrem od Slunce, při setkání s mezihvězdným prostředím prudce zpomalí a změní rychlost z nadzvukové na podzvukovou.
- Heliopauza: hranice, kde se vyrovnává tlak slunečního větru a mezihvězdného prostředí. Za ní převládá galaktické prostředí.
Voyager překročil nejprve terminační ráz (Voyager 1 v roce 2004 a Voyager 2 v roce 2007) a o několik let později heliopauzu. Skutečnost, že obě hranice se na obloze objevují v různých vzdálenostech a v různých směrech, je jasným znamením, že heliosféra je „promáčknutá“ a nerovnoměrně stlačená. Nejde jen o velikost, ale i o vnitřní strukturu: vrstvy, vlny, oblasti, které jsou hustší, a jiné, které jsou pro mezihvězdné prostředí „poréznější“.
Rozdíly mezi tím, co jednotlivé sondy viděly, jsou objevné. Voyager 1, který opustil sluneční soustavu zhruba „severně“ od roviny planet, zaznamenal poměrně náhlý přechod: prudký pokles slunečních částic, nárůst galaktického kosmického záření a magnetické pole, které sice měnilo svou sílu, ale zachovávalo si poměrně souvislou orientaci. Voyager 2, který se pohyboval „jižně“ od roviny ekliptiky, zjistil „hustší“ heliopauzu s meziprostory, kde se sluneční a galaktické částice mísily a kolísaly. Jako by jedna procházela tenkou stěnou a druhá stěnou složenou z několika nepravidelných plátů.
To odpovídá myšlence, která nabývá na síle: heliosféra není statický objekt, ale dynamická struktura, která se drobí, bobtná a smršťuje v reakci na aktivitu Slunce i na podmínky v místním mezihvězdném prostředí. Intenzivní sluneční bouře, změny v galaktickém magnetickém poli nebo hustší oblasti mezihvězdného plynu mohou do bubliny „narážet“ a deformovat ji v průběhu let či desetiletí.
Voyager také pomáhá překalibrovat naši představu o tom, kde „končí“ sluneční soustava, protože poprvé přímo měří mezihvězdné prostředí. Zjišťuje galaktické kosmické záření, vysokoenergetické částice, které byly dříve částečně blokovány heliosférou. Při překročení heliopauzy sondy pozorovaly prudký nárůst tohoto kosmického záření spolu s poklesem slunečních částic. Takto zřetelný přechod ukazuje, že hranice existuje, ale také že je tenčí a dynamičtější, než jsme si představovali, téměř jako živá membrána, která dýchá sluneční aktivitou.
Kromě kosmického záření Voyager změřily i něco, co bylo donedávna známo pouze nepřímo: hustotu mezihvězdné plazmy, ionizovaného plynu, který vyplňuje prostor mezi hvězdami. Podařilo se jim to díky malým oscilacím (vlnám plazmatu), které vznikají, když porucha, například výron koronální hmoty ze Slunce, dosáhne heliopauzy a otřese jí. Tyto vlny „rozkmitají“ mezihvězdné plazma a přístroje na sondách mohou tyto vibrace zaznamenat. Podle jejich frekvence vědci vypočítají, jak husté je místní mezihvězdné prostředí.
Výsledky jsou překvapivé: prostor mezi hvězdami není tak prázdný, jak se dosud předpokládalo. Ve srovnání s jakoukoli laboratorní komorou na Zemi se stále jedná o extrémní vakuum, ale je hustší, než naznačovaly některé modely. To má přímé důsledky pro tvar heliosféry, protože vyšší hustota plynu a plazmatu znamená vyšší vnější tlak na naši sluneční bublinu.
Souběžně s Voyagerem poskytly klíčové střípky do této skládačky i další mise. Sonda IBEX (Interstellar Boundary Explorer), která byla vypuštěna v roce 2008, necestuje k heliopauze, ale „mapuje“ její obrys z oběžné dráhy Země pomocí detekce energetických neutrálních atomů vznikajících na hranici mezi slunečním větrem a mezihvězdným prostředím. Novější sonda IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), plánovaná na toto desetiletí, má za cíl tuto mapu zpřesnit a studovat, jak se částice v této hraniční oblasti urychlují.
Data z IBEX již poskytla znepokojující vodítko: existenci „stuhy“ intenzivního záření na obloze, jakéhosi jasného oblouku (z hlediska částic, nikoli viditelného světla), který jako by směřoval ve směru místního mezihvězdného magnetického pole. Tato struktura příliš nezapadala do představy symetrické heliosféry a vynutila si přehodnocení mnoha modelů. Sonda Voyager díky přímému měření magnetického pole za heliopauzou umožnila propojit tuto stuhu se skutečnou orientací galaktického pole v našem okolí.
Co z toho všeho vyplývá? Za prvé, možná podceňujeme, jak moc se velikost heliosféry mění během jedenáctiletého slunečního cyklu. Je možné, že její skutečný tvar je natolik nepravidelný, že naše zjednodušené diagramy nejsou správné. A co je možná nejznepokojivější, heliosféra možná není tak dobrou ochranou proti kosmickému záření, jak jsme si mysleli, což má přímé důsledky pro obyvatelnost sluneční soustavy a pro budoucí pilotované mise mimo Mars.
Galaktické kosmické záření jsou částice s extrémně vysokou energií, které se pohybují téměř rychlostí světla a mohou procházet biologickými materiály a tkáněmi a způsobovat poškození DNA a elektronických systémů. Héliosféra funguje jako „magnetická clona“, která některé, ale ne všechny tyto částice odráží. Pokud je sluneční bublina poréznější, nepravidelnější nebo stlačenější, než jsme se domnívali, mohlo by do ní pronikat větší množství záření, zejména v určitých směrech nebo během určitých fází slunečního cyklu.
To má vliv nejen na bezpečnost budoucích posádek cestujících na Měsíc, Mars nebo jinam, ale také na historii samotného života na Zemi. Studie naznačují, že v průběhu milionů let mohly změny dráhy Slunce v galaxii a tvaru heliosféry ovlivnit tok kosmického záření, které dopadá na naši planetu. Někteří vědci dokonce navrhli předběžné souvislosti mezi těmito změnami a změnami klimatu nebo rychlostí biologických mutací, ačkoli se stále jedná o vášnivě diskutované hypotézy, které nejsou zdaleka prokázány.
Dalším fascinujícím aspektem je, že heliosféra není jedinečná. Každá hvězda v galaxii vytváří svou vlastní bublinu, která má různé tvary a velikosti v závislosti na jejím typu, stáří, rychlosti a mezihvězdném prostředí, v němž se pohybuje. Pochopení té naší je prvním krokem k pochopení, jak vypadají „hvězdné bubliny“ jiných hvězd, včetně těch s potenciálně obyvatelnými exoplanetami. V jistém smyslu je heliosféra první obrannou linií každého světa proti galaktickému prostředí a její účinnost může znamenat rozdíl mezi neškodnou planetou a planetou bombardovanou extrémním zářením.
V tomto kontextu se Voyager stal více než jen reliktem zlatého věku výzkumu planet. Se svými stárnoucími přístroji a ubývající elektrickou energií nadále posílá zpět data jako z učebnice. NASA postupně vypíná některé systémy, aby ušetřila energii a prodloužila misi, a očekává se, že sondy budou schopny komunikovat snad až do konce tohoto desetiletí. Poté budou pokračovat ve své tiché cestě mezi hvězdami, ponesou s sebou slavný zlatý záznam zvuků a obrazů Země, ale už nám nebudou moci říci, jaký je mezihvězdný oceán, kterým prolétají.
Mezitím jsou modely heliosféry stále dokonalejší. Numerické simulace na superpočítačích kombinují data ze sond Voyager, IBEX, slunečních observatoří, jako je SOHO nebo SDO, a misí zaměřených na kosmické záření, aby rekonstruovaly trojrozměrný tvar naší bubliny. Některé z těchto modelů ukazují na geometrii „rohlíku“ se dvěma laloky nebo „rohy“, které směřují sluneční vítr do určitých oblastí, spíše než na dlouhý, rovnoměrný chvost. Jiné naznačují, že heliosféra může být téměř „krátkoocasá“, kompaktnější, než se dosud předpokládalo, a to v důsledku tlaku mezihvězdného magnetického pole.
Skutečnost je pravděpodobně kombinací několika z těchto myšlenek: deformovaná bublina s laloky, vráskami a časovými strukturami, které se objevují a mizí na škále let nebo desetiletí. Zdá se však, že je jasné, že klasická představa čisté koule nebo dokonalé komety již neplatí. A to zdaleka není špatná zpráva, ale otevírá to okno do mnohem bohatší fyziky na hranici mezi naším malým slunečním okolím a rozsáhlým galaktickým prostředím.
V příštích letech by nám kombinace nejnovějších dat ze sond Voyager, map IBEX a IMAP a pozorování z dalších slunečních a kosmických misí měla poprvé umožnit vytvořit poměrně věrný portrét skutečného tvaru sluneční soustavy. Nebude to jednoduchý obrázek na školní plakát, ale bude to mnohem poctivější obraz složitosti vesmíru, který obýváme.
A to je možná to nejhlubší poučení z těchto veteránských sond: že i na okrajích naší soustavy, kde jsme si mysleli, že je jen mlhavý „okraj“, je realita subtilnější, dynamičtější a překvapivější, než jsme se na základě našich zjednodušení domnívali. Sluneční bublina není dokonalá zeměkoule, ale živá hranice, která nás spojuje s mezihvězdným oceánem a zároveň nás od něj odděluje.