مرز منظومه شمسی کجا است؟

برای مثال منظومه‌ شمسی را در نظر بگیرید. بر اساس تصوری که در ذهن دارید احتمالا خورشید را در مرکز و سیاره‌ها را در مدار خورشید قرار می‌دهید. در نقطه‌ای حدود چهار تا پنج میلیارد کیلومتر به مدار نپتون می‌رسید و احتمالا یک مرز فرضی را رسم می‌کنید: همه‌چیز در محدوده‌ی این مرز داخل منظومه‌ی شمسی و هر چیزی آن سوی آن خارج از منظومه‌ی شمسی قرار می‌گیرد. با این‌حال این تصور اشتباه است.

در درجه‌ی اول، آن سوی نپتون، توده‌های یخی موسوم به اجرام فرانپتونی (TNO) قرار دارند که از نظر گرانشی به خورشید وابسته هستند. برخی از TNO-ها در منطقه‌ای موسوم به کمربند کویپر قرار دارند و برخی دیگر بسیار دورتر در هاله‌ای بیضی شکل موسوم به ابر اورت قرار گرفته‌اند که تا فاصله‌ی تریلیون‌ها کیلومتر از خورشید را دربرمی‌گیرد.

همچنین تعیین مرزهای منظومه‌ی شمسی به‌شدت به چگونگی تعریف این منظومه و فضای خارجی آن وابسته است. فضاپیمای وویجر ۱ که پس از چندین ماه خاموشی، ارتباط خود با زمین را از سر گرفته، به ما کمک کرده است تا محدوده‌ی مرزی محله‌ی کیهانی‌مان را بهتر درک کنیم. این کاوشگر اعماق فضا در سال ۱۹۷۷ پرتاب شد و اکنون ۲۴ میلیارد کیلومتر از زمین فاصله دارد؛ بدین معنی که بیش از ۱۶۰ برابر دورتر از فاصله‌ی بین زمین و خورشید است. نوامبر سال گذشته، وویجر ۱ دچار نقص سخت‌افزاری شد و مهندسان باید نرم‌افزار قطعه‌ی خراب را مجددا مسیریابی می‌کردند. پس از رفع مشکل، وویجر ۱ بهتر از قبل کار کرد و انتظار می‌رود که تا ظرف مدت چند ماه به وضعیت عملیاتی کامل بازگردد.

نقص اخیر وویجر ۱، یادآور اتفاقی است که در سپتامبر ۲۰۱۳ برای این کاوشگر رخ داد؛ یعنی زمانی که ۱۹ میلیارد کیلومتر از زمین فاصله داشت. در آن زمان ناسا اعلام کرد وویجر ۱ در آگوست ۲۰۱۲ وارد فضای میان‌ستاره‌ای شده است. در آن زمان بسیاری از افراد از این صحبت می‌کردند که وویجر ۱ بالاخره موفق شده منظومه شمسی را ترک کند.

نقص اخیر وویجر ۱، یادآور اتفاقی است که در سپتامبر ۲۰۱۳ برای این کاوشگر رخ داد؛ یعنی زمانی که ۱۹ میلیارد کیلومتر از زمین فاصله داشت. در آن زمان ناسا اعلام کرد وویجر ۱ در آگوست ۲۰۱۲ وارد فضای میان‌ستاره‌ای شده است. در آن زمان بسیاری از افراد از این صحبت می‌کردند که وویجر ۱ بالاخره موفق شده منظومه شمسی را ترک کند.

اینجاست که مسئله‌ی دوم درباره‌ی مرز و پایان واقعی منظومه شمسی مطرح شد. بر اساس تعریف دقیق و واقعی، وویجر ۱ در آن زمان هنوز در منظومه شمسی قرار داشت. چرا که از اغلب TNO-های اعماق فضا به خورشید نزدیک‌تر بود. با این‌حال حق با ناسا بود: وویجر ۱ همچنین در فضای میان‌ستاره‌ای قرار داشت؛ اما چگونه این اتفاق ممکن است؟ مرز دقیق و شفافی برای لبه‌ی منظومه شمسی وجود ندارد این سردرگمی حاصل دو روش متفاوت تعریف منظومه شمسی است. بر اساس تعریف اول، تأثیر گرانشی خورشید بر اجرام مدار آن درنظر گرفته می‌شود؛ اما در تعریف دیگر، تأثیر مغناطیسی تعیین‌کننده‌ی‌ مرز منظومه‌ی شمسی است که توسط بادهای خورشیدی تعریف می‌شود.

باد خورشیدی به جریانی از ذرات زیراتمی گفته می‌شود که خورشید به‌طور پیوسته به داخل فضا منتشر می‌کند. این بادها با سرعت بسیار بالای تقریبا ۲ میلیون کیلومتر بر ساعت از خورشید سرچشمه می‌گیرند و دربردارنده‌ی الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و دیگر هسته‌های اتمی سنگین هستند. مشخص نیست چه عاملی باعث شتاب‌گرفتن این بادها تا سرعت‌های بسیار بالا می‌شود. با اینکه دانشمندان قدرت مغناطیسی خورشید را تأثیرگذار می‌دانند، هنوز به مکانیزم دقیق آن پی نبرده‌اند. اگر فضا کاملا خالی بود، بادهای خورشیدی برای همیشه در فضا گسترش پیدا می‌کردند و به دلیل سرعت بسیار بالایشان در نهایت کهکشان راه شیری را ترک می‌کردند؛ اما فضای وسیع بین ستاره‌ها در واقعیت دارای ماده است.

بااین‌حال مقدار این ماده زیاد نیست و تقریبا به اندازه‌ی یک ذره‌ی زیر اتمی به ازای هر سانتی‌متر مکعب تخمین زده می‌شود؛ گرچه این حجم بر اساس موقعیت شما در فضا تغییر می‌کند. تراکم هوایی که همین حالا تنفس می‌کنید، ۱۰ کوینتیلیون برابر بیشتر است، درحالی‌که ماده‌ی میان‌ستاره‌ای بسیار رقیق است. پس از آنکه بادهای خورشید این بخار کیهانی رقیق را شخم زدند، تکانه‌ی خود را از دست داده و سرعتشان کاهش می‌یابد تا جایی که در نهایت متوقف می‌شوند. منطقه‌ی توقف بادهای خورشیدی را اصطلاحا هلیوپاوس می‌گویند که مرز خارجی هلیوسفر را تعیین می‌کند. هلیوسفر به فضایی گفته می‌شود که توسط بادهای خورشیدی اشغال شده است. در مرز هلیوپاوس تأثیر مغناطیسی خورشید کمرنگ و تأثیر ماده‌ی میان‌ستاره‌ای پررنگ می‌شود.

این تغییر همان‌ چیزی است که وویجر ۱ در سال ۲۰۱۲ احساس کرد. اندازه‌گیری‌های متعدد نشان دادند فضای میان‌ستاره‌ای در بخشی از فضا که این فضاپیما از آن عبور می‌کرد غالب بود و به این ترتیب وویجر منطقه‌ی هلیوسفر را پشت سر گذاشته بود؛ بنابراین وویجر ۱ هنوز داخل منظومه شمسی است؛ اما بیشترین تأثیر را از کهکشان می‌گیرد تا خورشید. طبق معمول هنگام کار با مفاهیم علمی باید مراقب تعریف‌هایتان باشید. به همین دلیل بسیاری از مقاله‌ها در اوایل ۲۰۱۳ به اشتباه تیتر زدند: «وویجر ۱ منظومه شمسی را ترک کرد». این اتفاق معمولا در رسانه بسیار رخ می‌دهد. ناسا با بازنگری در داده‌ها متوجه شد که این فضاپیما در واقع وارد فضای میان‌ستاره‌ای شده است؛ اما به‌طورکلی تعیین موقعیت پایانی هلیوسفر کار دشواری است، زیرا مرزهای هلیوسفر سیال هستند و به سختی می‌توان نقطه‌ی دقیق پایان آن‌ها را تخمین زد. مفهوم هلیوسفر را می‌توان با منطقه‌ی پایان جو زمین و شروع فضا مقایسه کرد. در واقع تشابهاتی بین این دو وجود دارد. درست در نقطه‌ای که جو زمین به پایان می‌رسد و فضای خارجی شروع می‌شود یک مرز موسوم به خط کارمان تعریف می‌شود. در هر دو نمونه با نوعی جو سر و کار داریم که در منظومه‌ی شمسی به عنوان هلیوسفر و با بادهای خروشیدی شناخته می‌شود و در زمین با پوششی از هوا آن را می‌شناسیم.

تفاوت اصلی اینجاست که جو زمین به‌تدریج همراه با ارتفاع ناپدید می‌شود و به شکلی یکپارچه با خلأ فضا تلفیق می‌شود، درحالی‌که هلیوسفر دارای مرز است. این منطقه‌ی خنثی بسیار گسترده است و می‌تواند به ده‌ها میلیارد کیلومتر برسد، اما در مقایسه با اندازه‌ی کل هلیوسفر کوچک است.

با توجه به این مسئله که وویجر ۱ مدت‌ها پیش از نسخه‌ی میان‌ستاره‌ای خط کارمان عبور کرده است، اکنون در مسیر کهکشانی خود قرار دارد و امیدواریم به اندازه‌گیری‌هایش از فضای میان‌ستاره‌ی ادامه دهد. حتی پس از ۴۶ سال این کاوشگر در حال پشت‌سر گذاشتن مرزها است.