Nasz Układ Słoneczny jest dość obszerny, aczkolwiek wydawałoby się, że poza rozciągającym się za orbitą Neptuna Pasem Kuipera nie ma praktycznie nic. Wbrew pozorom znajduje się tam o wiele więcej, niż moglibyśmy się spodziewać, a niektóre z tych struktur mają realny wpływ na nasze życie.

Dysk rozproszony

W Układzie Słonecznym znajduje się liczna populacja małych obiektów planetoidalnych. Wiele z nich to planety karłowate (np. Pluton lub Ceres) oraz planetoidy (np. Westa), które są jednymi z najbardziej znanych i nie znajdują się dalej niż ok. 50 j.a. od Słońca. Jednakże kosmos może pochwalić się znacznie większymi dystansami. Obszar znajdujący się od 30 do ponad 100 j.a. nazywamy dyskiem rozproszonym.

European Southern Observatory via Wikimedia

Pas Kuipera – wizja artystyczna.

Intuicyjnie spodziewamy się, że im dalej odlecimy od naszej gwiazdy macierzystej, tym mniej materii będziemy mogli napotkać. Dysk rozproszony to jest, co prawda, obszar o naprawdę małym zagęszczeniu ciał, ale nie jest on całkowicie pusty. Mianowicie znajdują się tam obiekty transneptunowe, czyli takie, których średnia odległość od Słońca jest większa od tej dla ósmej planety. Przykładami takich obiektów mogą być Eris, Sedna czy chociażby Orkus. Nie są to nieistotne skały, wręcz przeciwnie – stanowią ważny element w badaniach historii Układu Słonecznego, a także jego struktur. Są one bardzo podatne na wszelkie zmiany, które zachodziły w ciągu miliardów lat. Dlatego zbierając więcej informacji na temat ich ruchu, możemy sporo się dowiedzieć na temat ich przeszłości, która jest silnie związana z wszystkimi wydarzeniami jakie miały miejsce w okolicy. Stanowią relikt ewolucji naszego sąsiedztwa planetarnego.

Lexicon, Exoplanet Expert, SpaceDude777

Dziesięć największych obiektów transneptunowych.

Przyjrzyjmy się bliżej orbitom tych ciał niebieskich. Trajektorie planet wewnętrznych i zewnętrznych są w przybliżeniu kołowe. Nie możemy tak powiedzieć w przypadku rozważanych obiektów. Ich mimośrody, czyli parametry definiujące wydłużenie elipsy, wahają się w przedziale od 0,2 aż do nawet 0,9. Zwykle jest to spowodowane ciągłą interakcją z masywnym ciałem niebieskim – w tym przypadku Neptunem. Lodowy olbrzym swoją siłą przyciągania wpływa na ich orbity, powodując te nietypowe wydłużenia.

Problem dziewiątej planety

Naukowcy zauważyli, że wytłumaczenie tych wydłużeń poprzez oddziaływanie tylko z Neptunem nie daje wyników odpowiadających obserwacjom. Z tej racji powstała hipoteza istnienia „Planety 9”, która byłaby brakującym elementem całej układanki. Taki obiekt mógłby być kilka razy masywniejszy od Ziemi, a jego średnia odległość od Słońca mogłaby wynosić około 300 j.a. Podejrzenie to zostało zainicjowane przez dziwny wzór przestrzegany przez tory ruchu mniejszych ciał, które wyglądają jakby wszystkie w pewnym sensie zostały zsynchronizowane – ich aphelia zbiegają się w jednym kierunku, co właśnie mogłoby stanowić ślad interwencji tej planety.  Wraz z nowymi danymi ta teoria zyskuje coraz mniej zaufania, ponieważ nowo odkryte obiekty wydają się łamać ten trend.

Tomruen via Wikimedia

Orbity kilkunastu obiektów transneptunowych, wraz z spekulowaną projekcją trajektorii Planety 9.

Poza dyskiem rozproszonym

Idąc jeszcze dalej, możemy faktycznie zaobserwować pustkę w makroskopowym świecie, aczkolwiek w skalach atomowych dzieje się zupełnie co innego. Warto zdać sobie sprawę że próżnia w kosmosie nie jest pozbawiona wszelkiej materii. Powoduje to jedna konkretna warstwa atmosfery Słońca – korona, jej najbardziej zewnętrzny obszar.

Andrew Fraknoi, David Morrison, Sidney C. Wolff via Wikimedia

Wykres temperatury w zależności od wysokości nad powierzchnią fotosfery Słońca.

W tej warstwie atmosfery cząstki, z których się składa, poruszają się szybko i chaotycznie zderzają się ze sobą, aż w końcu niektóre osiągają takie poziomy energii, że mogą swobodnie przeciwstawić się sile przyciągania grawitacyjnego i uciec od Słońca. Nazywamy to wiatrem słonecznym. Składa się on z wolnych elektronów oraz zjonizowanych jąder wodoru. To właśnie one są odpowiedzialne za m.in. zorze polarne, lecz w dużym natężeniu potrafią być niebezpieczne. Wypełniają całą przestrzeń międzyplanetarną.

Inne gwiazdy również generują podobne zjawisko, więc przestrzeń międzygwiezdną wypełnia wiatr gwiazdowy. Kiedy plazma emitowana ze Słońca napotka go, zaczyna gwałtownie zwalniać. Ten obszar nazywamy szokiem końcowym i znajduje się on w odległości od 75 do 90 j.a. Sytuację można sobie zobrazować w sposób podobny do wody lecącej z kranu. Z początku pewien obszar wokół miejsca wylewania się będzie wyglądał na gładki, ponieważ woda będzie w nim płynąć szybko. W miarę zwalniania zaczyna poruszać się w inne strony.

Yanpas via Wikimedia

Analogia działania szoku końcowego. W tym przypadku woda jest analogią wiatru słonecznego, a miejsce wylewania jest analogią do Słońca.

Jeszcze dalej znajduje się płaszcz Układu Słonecznego (ang. heliosheath) – region przejściowy pomiędzy szokiem a heliopauzą. To jest granica, gdzie wiatr słoneczny ostatecznie traci dominujący wpływ i zaczyna się przestrzeń międzygwiezdna. Tam umownie kończy się Układ Słoneczny i do tej pory tylko dwie sondy zdołały się dostać na jej drugą stronę. Mowa o Voyager 1 i Voyager 2, wystrzelonych w kosmos w 1977 r. przez NASA. Miały za cel zbadać Jowisza, Saturna, Urana oraz Neptuna z bliska, co do tamtej pory nie było możliwe, a następnie na zawsze opuścić nasz system planetarny. Dopiero po 45 latach udało się im to osiągnąć.

Wszystkie opisane powyżej struktury tworzą heliosferę. Jest ona wydłużona w kierunku przeciwnym do ruchu Słońca. Można to porównać do ruchu łodzi po wodzie, który tworzy coś na wzór łukowej fali uderzeniowej. Oprócz tego heliosfera pełni rolę ochronną przed szkodliwym promieniowaniem. Według niektórych modeli cała struktura może się ciągnąć od 120 do nawet kilku tysięcy jednostek astronomicznych od Słońca, biorąc pod uwagę cały ogon (ang. heliotail).

Abi, oryg.: NASA/Walt Feimer via Wikimedia

Schemat budowy heliosfery, wraz z nieaktualnie położonymi sondami programu Voyager. Obecnie te znajdują się o wiele dalej.

Jednakże nawet poza tą granicą, Słońce nadal posiada wpływ grawitacyjny. Spekuluje się istnienie obszaru zwanym obłokiem Oorta, o którym więcej można przeczytać tutaj.

Badania kresów Układu Słonecznego

Współcześnie dysponujemy bardzo zaawansowanym sprzętem, jednakże obiekty znajdujące się daleko są niezwykle ciemne, co wiąże się z ogromną trudnością w ich odnajdywaniu. Na nasze szczęście istnieją przypadki, w których raz na pewien czas możemy spotkać się z dalekim przybyszem w naszym bliskim sąsiedztwie, na przykład kometą. Ludzkość zdołała też wysłać kilka programów kosmicznych, które aktualnie eksplorują odległe regiony. Są to, między innymi, wcześniej wspomniany program Voyager, a także Pioneer i New Horizons, która jako jedyna w historii przeleciała w pobliżu Plutona. Wszystkie te misje przyniosły ze sobą odkrycia odmieniające nasze postrzeganie wielu kluczowych pojęć w astronomii.

NASA zaproponowała wystartowanie z nowym programem. Mianowicie Interstellar Probe jest koncepcją, która swojej realizacji miałaby się doczekać w latach 2036-2041. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań, sonda miałaby (w przeciwieństwie do jej poprzedników) od początku zostać wystrzelona na trajektorię ucieczki już z Ziemi, a następnie dzięki asyście grawitacyjnej Jowisza przyspieszyłaby jeszcze bardziej, co dałoby niesamowitą prędkość ok. 6-7 j.a. na rok. W takim tempie przekroczyłaby heliopauzę już 15 lat po starcie, ponad 3 razy szybciej niż w przypadku wcześniejszych ekspedycji, co jest wielkim postępem. Statek badawczy miałby za zadanie badać heliosferę oraz przestrzeń międzygwiezdną przez zakładany czas misji ok. 50 lat. Na razie jest to tylko propozycja, ale możliwe, że pewnego dnia i my będziemy świadkami startu „Voyagera naszych czasów”.

Niewątpliwie najdalsze obszary Układu Słonecznego nadal pozostają zagadką dla nauki. Wciąż dokonujemy coraz większych przełomów i bardzo możliwe, że już w niedalekiej przyszłości zdołamy poznać odpowiedzi na pytania, które on skrywa.

Redakcja tekstu – Dominika Pik, Matylda Kołomyjec