8 november 2003 NRC

Voorbij de zonnewind - Dirk van Delft

RUIMTEVAARTUIG VOYAGER IS OP WEG NAAR DE RAND VAN HET ZONNESTELSEL

Na een reis langs de buitenplaneten van het zonnestelsel is de Voyager 1 nu aangekomen in het gebied waar zonnewind en interstellaire wind elkaar ontmoeten.
 


RUIM ZESENTWINTIG jaar duurt de ruimtereis van de Voyager 1 inmiddels en de afstand tot de aarde is opgelopen tot 13,5 miljard kilometer. Afgelopen woensdag `vierden' astronomen, die als maat de afstand aarde-zon hanteren (1 Astronomische Eenheid = 150 miljoen kilometer), dat de NASA-sonde de 90 Astronomische Eenheden-grens was gepasseerd. Belangrijker is dat de meeste instrumenten aan boord, ontworpen voor een missie van vijf jaar, ook na een kwart eeuw nog altijd functioneren. Op weg naar de buitengewesten van het zonnestelsel stuurt de Voyager een continue stroom gegevens naar de aarde. Die zijn zeer waardevol, zo blijkt uit twee Nature-publicaties deze week. De Voyager is aangekomen in het gebied waar de zonnewind, de stroom geladen deeltjes die de zon in alle richtingen uitstoot (en die bij hevige op aarde gerichte erupties verantwoordelijk is voor het noorderlicht), door toedoen van de interstellaire wind min of meer stilvalt: de termination shock.

ECLIPTICA Gelanceerd op 20 augustus 1977, zestien dagen voor tweelingbroer Voyager 2, passeerde Voyager 1 de buitenplaneten Jupiter (1979) en Saturnus (1980), om vervolgens in het kader van een extra Voyager Interstellar Mission (VIM) koers te zetten naar de rand van het zonnestelsel. Dat gebeurt met een snelheid van 3,6 AE per jaar (17 km/sec) en onder een hoek van 35 graden met de ecliptica, het vlak waarin de planeten om de zon draaien. VIM bestaat uit drie fasen: het onderzoeken van de termination shock, het exploreren van de heliopause, waar de `bel' die de zon voor zichzelf in de kosmos opeist eindigt, en het verrichten van metingen in de interstellaire ruimte. Die laatste fase komt pas over enkele jaren aan bod, terwijl het laatste instrument aan boord bij gebrek aan energie rond 2020 zal uitvallen.
 

De zonnewind, een ijl plasma, breidt zich uit met een snelheid van 400 Ó 750 km/sec en verovert de heliosfeer op de interstellaire wind. Omdat de zon in de interstellaire ruimte beweegt, is dat overigens geen bol maar een ei. Ver van de zon is de invloed van de zonnewind tanende. Eerste teken daarvan is het abrupt inzakken van de snelheid van de zonnewind. Ter hoogte van de termination shock valt deze terug tot subsonische waarden (lager dan de lokale geluidssnelheid), beneden de 50 km/sec.

Twee Amerikaanse teams, elk belast met een eigen Voyager-instrument, maken in Nature melding van hun laatste resultaten. De groep rond Tom Krimigis stelt op basis van metingen met de LECP-detector (low energy charged particle) dat die termination shock inderdaad bereikt is. Frank McDonald en medewerkers, die de CRS-detector (cosmic ray spectrum) beheren, tonen zich voorzichtiger en houden het erop dat weliswaar de eerste voortekenen van het `stilvallen' van de zonnewind zijn gesignaleerd, maar dat de Voyager de echte termination shock nog moet ondervinden.

De termination shock is een fascinerend astrofysisch object. Neutrale atomen uit de interstellaire wind raken op deze ontmoetingsplaats ge´oniseerd en worden door de zonnewind meegevoerd en versneld tot het tienduizendvoudige van hun oorspronkelijke energie: de anomale kosmische straling. Op hun beurt kunnen die opgejaagde deeltjes de structuur van de termination shock be´nvloeden. Is de Voyager ter plekke, dan neemt hij dus twee effecten waar: het inzakken van de snelheid van de zonnewind, en een toename van het aantal hoogenergetische deeltjes.

De groep-Krimigis keek naar de zonnewind. De snelheid daarvan zou het beste te bepalen zijn met de plasmadetector aan boord van de Voyager, maar die zwijgt al jaren in alle talen. Metingen aan laagenergetische geladen deeltjes (protonen en elektronen) kunnen in dit gemis voorzien en Krimigis zag de intensiteiten daarvan in de tweede helft van 2003 sterk oplopen ten opzichte van die welke Voyager 2 (die 20 AE achterligt) waarnam. Ook zag het team versnelde ionen die waren opgepikt uit de interstellaire ruimte en die passen in het `plaatje' van de anomale kosmische straling. Maart dit jaar inmiddels was de afstand van Voyager 1 tot de aarde opgelopen van 85 tot 87 AE) - bleek de zonnewind weer supersonische snelheden te bezitten. Op zich is dat niet vreemd: de wisselende uitbarstingen op de zon maken de termination shock tot een dynamisch object met een variabele locatie.

AANGEKONDIGD Ook het team rond McDonald ziet een toename in de intensiteit aan elektronen en ionen. Maar op basis van de energieverdeling binnen de gemeten anomale kosmische straling, en het uitblijven van een toename van het magnetisch veld, stelt deze groep dat de termination shock zich slechts heeft aangekondigd en dat de werkelijke passage door Voyager nog moet plaatsvinden. In een begeleidend commentaar kiest Nature de kant van Krimigis. De McDonald-data zouden op de complexe structuur van de termination shock wijzen, of op nˇg een mechanisme om interstellaire deeltjes te versnellen dat verder weg ligt. Latere metingen door Voyager 1 zullen licht op de zaak moeten werpen.

De reis voorbij de termination shock naar de rand van de heliosfeer belooft opwindende wetenschap voort te brengen: turbulentie, versnellende ionen en buitenissige plasmaverschijnselen. Aangekomen bij de heliopause, zo'n 150 AE van ons weg, betreedt de Voyager het gebied waar de sterrenwind het voor het zeggen heeft. Wat niet betekent dat het zonnestelsel daar ophoudt. Dat reikt tot afstanden die nog duizenden keren zo groot zijn, naar de Oort-wolk, een uitgestrekt gebied bezaaid met kometen die nog net in het zwaartekrachtsveld van de zon gevangen zijn. Eer de twee Voyagers - dan spookschepen - voorbij die Oort-wolk zijn, zal er 40.000 jaar verstreken zijn. Ze hebben er dan pas twee lichtjaar op zitten, de helft van de afstand naar Proxima Centauri, onze naaste buur onder de sterren. Het heelal is groot.