منظومه شمسی، خانه ما در پهنه کیهان، فضایی گسترده و مملو از عجایب است. سیارات، سیارک‌ها، دنباله‌دارها و اجرام یخی در این قلمرو پهناور در گردشند و تحت فرمانروایی گرانش خورشید قرار دارند. اما تا کجا این قلمرو امتداد می‌یابد؟ مرز منظومه شمسی کجاست؟ برخلاف تصور، مرزهای بیرونی منظومه شمسی کاملاً مشخص نیستند.
ما انسان‌ها عاشق مرزهای مشخص و واضح هستیم، اینطور نیست؟ این باعث می‌شود کارها آسان‌تر شود. وقتی می‌خواهیم چیزی را دسته‌بندی کنیم، دانستن اینکه باید آن را در کدام دسته قرار دهیم، بسیار مفید است.
همچنین، هنگام جستجوی الگوها، مرزهای مشخص حتی بهتر هستند، زیرا به ما این امکان را می‌دهند که چیزها را در یک دسته با هم مقایسه کنیم تا ببینیم چگونه تغییر می‌کنند. با این حال، این تمایل می‌تواند مشکل‌ساز شود. این می‌تواند ما را گمراه کند یا باعث سردرگمی شود. به خصوص زمانی که چیزی را که اساساً مبهم و نامشخص است، برداشته و سعی کنیم آن را به زور در یک قالب نامناسب جای دهیم.
برای مثال، منظومه شمسی را در نظر بگیرید. اگر آن را در ذهن خود تصور کنید، به احتمال زیاد خورشید را در مرکز و گروهی از سیارات در حال گردش به دور آن می‌بینید. شاید در نقطه‌ای، در فاصله‌ای حدود چهار تا پنج میلیارد کیلومتری (تقریباً معادل فاصله مداری نپتون)، یک خط فرضی ترسیم کنید: هر چیزی درون آن خط در داخل منظومه شمسی و هر چیزی فراتر از آن خط در خارج از آن قرار دارد. شاید متوجه منظورم شده باشید. خطی که در ذهن خود کشیده‌اید، خودسرانه و حتی می‌توانم بگویم اشتباه است.
مرز منظومه شمسی کجاست؟ از زبان یک ستاره شناس
فیل پلیت (Phil Plait) ستاره شناس آمریکای در مقاله‌ای در این باره توضیح می‌دهد، در ادامه صحبت‌های این ستاره شناس را برای شما شرح دادیم. با چرا همره باشید.
اول، خیلی فراتر از این فاصله، اجرام یخی به نام «اجسام فرا-نپتونی» (TNOs) وجود دارند که با این حال همچنان تحت تاثیر گرانش خورشید قرار دارند. برخی از TNOها در یک قرص مسطح به نام کمربند کایپر به دور خورشید می‌چرخند و برخی دیگر بسیار بسیار دورتر از یک هاله تقریباً کروی به نام ابر اورت که به طور بالقوه تا یک تریلیون کیلومتر اطراف ستاره ما امتداد دارد، در گردش هستند. در این مقیاس، حتی سیارات بیرونی در حال گردش به دور خورشید، به نظر می‌رسد در فاصله‌ای نزدیک به هم جمع شده‌اند.
دوم اینکه، تعیین چنین محدوده‌های بیرونی بستگی به این دارد که منظومه شمسی را چه تعریف کنیم و چه چیزی خارج از آن است.
این موضوع به دلیل خبری فضایی که هفته گذشته منتشر شد به من یادآوری شد، و این خبر خوبی است (یک گوهر نادر): مهندسان توانسته‌اند دوباره ارتباط وویجر ۱ با زمین را برقرار کنند. این کاوشگر فضایی عمیق در سال ۱۹۷۷ پرتاب شد و اکنون در فاصله خیره کننده‌ای به میزان ۲۴ میلیارد کیلومتر از زمین قرار دارد، که بیش از ۱۶۰ برابر دورتر از فاصله خورشید تا سیاره ما است. در ماه نوامبر گذشته، این فضاپیما دچار مشکل سخت‌افزاری شد که ارتباطات آن را مختل کرد، و مهندسان مجبور شدند با مسیریابی مجدد نرم‌افزار به دور قطعه معیوب، راه‌حلی هوشمندانه پیدا کنند. به نظر می‌رسد پس از بارگذاری این رفع مشکل، وویجر ۱ عملکرد بهتری دارد و آن‌ها انتظار دارند طی چند ماه آینده به طور کامل به کار خود بازگردد.
این موضوع مرا به یاد اتفاقی در سپتامبر ۲۰۱۳ انداخت، زمانی که وویجر ۱ «فقط» ۱۹ میلیارد کیلومتر با زمین فاصله داشت: ناسا در آگوست ۲۰۱۲ اعلام کرد که این کاوشگر وارد فضای بین ستاره‌ای شده است. در آن زمان، بسیاری از مردم در مورد اینکه چگونه وویجر ۱ سرانجام «منظومه شمسی را ترک کرده است» صحبت می‌کردند. و در همین‌جا است که به مسئله دوم یعنی «پایان» منظومه شمسی برمی‌خوریم.
بیشتر بخوانید
پرسش های بی پاسخ؛ جهان های موازی و بیگانگان
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ چیست؟
با هر تعریفی، حتی تعاریف مبهم، وویجر ۱ همچنان به خوبی در داخل منظومه شمسی قرار داشت. مطمئناً آن (و همچنان هم هست و برای مدتی باقی خواهد ماند) به خورشید نزدیک‌تر بود تا بیشتر اجسام فرا-نپتونی در اعماق تاریک فضا. با این حال، ناسا درست می‌گفت: وویجر ۱ همچنین در فضای بین ستاره‌ای قرار دارد.
چطور چنین چیزی ممکن است؟ این سردرگمی به دلیل دو رویکرد متفاوت در تعریف منظومه شمسی ایجاد می‌شود. در این مورد، ما تأثیر گرانشی خورشید بر اجرام در حال گردش به دور آن و تأثیر مغناطیسی آن را که از طریق باد خورشیدی به فضای عمیق منتقل می‌شود، مقایسه می‌کنیم. باد خورشیدی جریانی از ذرات زیر اتمی است که خورشید به طور مداوم به فضا می‌فرستد. این جریان با سرعت بالا، تقریباً دو میلیون کیلومتر در ساعت، از خورشید دور می‌شود و از الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و برخی هسته‌های اتمی سنگین‌تر تشکیل شده است. مشخص نیست چه چیزی باعث چنین سرعت بالای باد می‌شود. دانشمندان می‌دانند که میدان مغناطیسی خورشید نیروی محرک است، اما مکانیسم دقیق آن هنوز به طور کامل شناخته نشده است.
اگر فضا واقعاً خالی بود، باد خورشیدی برای همیشه گسترش می‌یافت، به درون کهکشان سرازیر می‌شد و به دلیل سرعت بسیار بالایی که دارد، سرانجام به طور کامل از راه شیری خارج می‌شد. اما فضا، با وجود اسمش، خالی نیست. حجم عظیم بین ستارگان در واقع حاوی ماده است.
البته این مقدار زیاد نیست: به طور متوسط حدود یک ذره زیر اتمی در هر سانتی‌متر مکعب (اگرچه این مقدار بسته به اینکه دقیقاً در کجای فضا هستید می‌تواند به شدت تغییر کند). هوایی که اکنون تنفس می‌کنید تقریباً ۱۰ به توان ۱۸ برابر چگال‌تر است، بنابراین این ماده بین ستاره‌ای واقعاً بسیار رقیق است، اما کافی است. هنگامی که باد خورشیدی به این بخار کیهانی فوق‌العاده نازک برخورد می‌کند، سرعت خود را از دست داده و کند می‌شود و در نهایت متوقف می‌شود. این منطقه‌ای که در آن متوقف می‌شود، به طور شاعرانه «هلیوپوز» نامیده می‌شود و مرز بیرونی «هلیوسفر» را نشان می‌دهد، که حجم فضایی تحت سلطه باد خورشیدی خورشید است.
هلیوپوز
هلیوپوز مرز بیرونی هلیوسفر است، که حجم فضایی تحت سلطه باد خورشیدی خورشید است. در هلیوپوز، باد خورشیدی با ماده بین ستاره‌ای (ماده بین ستارگان) برخورد می‌کند و کند می‌شود. وویجر ۱ در سال ۲۰۱۲ از هلیوپوز عبور کرد.
هلیوسفر
هلیوسفر نیز مانند جو زمین، مرزی مشخص ندارد و به تدریج به فضای بین ستاره‌ای تبدیل می‌شود.
در ناحیه هلیوپوز، تأثیر مغناطیسی خورشید ضعیف می‌شود و تأثیر محیط بین ستاره‌ای (ماده بین ستارگان) تقویت می‌شود. این تغییر همان چیزی است که وویجر ۱ در سال ۲۰۱۲ تشخیص داد. چندین اندازه‌گیری نشان داد که محیط بین ستاره‌ای بر منطقه‌ای از فضا که کاوشگر از آن عبور می‌کرد، تسلط داشته و هلیوسفر را پشت سر گذاشته است. بنابراین، در حالی که وویجر ۱ همچنان به خوبی در داخل منظومه شمسی قرار داشت، فضای اطراف آن بیشتر تحت تأثیر خود کهکشان نسبت به خورشید بود. همانطور که همیشه در برخورد با مسائل علمی، باید در تعریف اصطلاحات خود دقت کنید.
فیل پلیت همچنین گفت: به خاطر صداقت علمی، باید اعتراف کنم که خودم هم این اشتباه را مرتکب شده‌ام. در اوایل سال ۲۰۱۳ نوشتم که وویجر ۱ منظومه شمسی را ترک کرده است، در حالی که ناسا در آن زمان اعلام کرد که چنین اتفاقی نیفتاده است. (این موضوع در طول سال‌ها بارها در رسانه‌ها مطرح شد و کمیک استریپ آنلاین XKCD نیز به سبک همیشگی شوخ‌طبعانه خود به این موضوع پرداخت.
ناسا بعداً پس از بررسی داده‌های خود تأیید کرد که این کاوشگر در واقع در سال ۲۰۱۲ وارد فضای بین ستاره‌ای شده است. اما همچنین در آن زمان اشاره کردم که تعریف‌های دقیق و مشخص حتی از جایی که هلیوسفر خورشید به پایان می‌رسد، پیچیده و دشوار است.
این مناطق مرزهای مشخصی ندارند و دائماً در حال تغییر هستند. اگر این موضوع برایتان آشنا به نظر می‌رسد، به این دلیل است که شبیه به این است که کجا جو زمین تمام می‌شود و فضای بیرونی شروع می‌شود. مشکلی که با بحث در مورد چیزی به نام خط Kármán تجسم می‌شود.
خط Kármán
خط Kármán مرزی فرضی در جو زمین است که در آن، هوا به قدری رقیق می‌شود که دیگر به عنوان جو قابل تعریف نیست.
او اضافه کرد: من در یک مقاله اخیر به این موضوع پرداخته‌ام و شباهت‌هایی وجود دارد؛ در هر دو مورد، ما با نوعی جو هلیوسفر حکاکی شده توسط باد خورشیدی و حجاب هوای زمین و جایی که آن به محیط فضای عمیق‌تر برخورد می‌کند، سروکار داریم. تفاوت اینجاست که جو زمین با افزایش ارتفاع به تدریج محو می‌شود و به طور یکپارچه با خلاء نزدیک فضا ترکیب می‌شود، در حالی که هلیوسفر یک مرز دارد.
این منطقه خنثی (با قرض گرفتن اصطلاحی از مجموعه «پیشتازان فضا») مطمئناً پهن است (ده‌ها میلیارد کیلومتر) اما در مقایسه با اندازه عظیم خود هلیوسفر، کوچک است. با عبور وویجر ۱ از نسخه بین ستاره‌ای خط Kármán، این کاوشگر به خوبی وارد کهکشان شده است. امیدواریم به زودی و پس از ۴۶ سال، همچنان به اندازه‌گیری محیط بین ستاره‌ای ادامه دهد و داده‌ها را به زمین ارسال کند. حتی پس از ۴۶ سال، هنوز هم در حال شکستن مرزهاست.
مرز منظومه شمسی کجاست؟ به زبان ساده
پاسخ به این سوال ساده به نظر می‌رسد، اما در واقع چالشی پیچیده است. دانشمندان دو دیدگاه اصلی برای تعریف مرز منظومه شمسی ارائه می‌کنند:
1. دیدگاه گرانشی: بر اساس این دیدگاه، هر جسمی که تحت تاثیر گرانش خورشید باشد، در منظومه شمسی قرار دارد. این تعریف ساده و بدیهی به نظر می‌رسد، چرا که خورشید با جاذبه قدرتمند خود، اجرام مختلف را در مدار خود نگه می‌دارد. با این معیار، حتی سیارات کوتوله دوردست مانند پلوتو و اجرام فرا-نپتونی که در اعماق فضای یخی پراکنده‌اند، در قلمرو منظومه شمسی جای می‌گیرند.
2. دیدگاه مغناطیسی: دیدگاه دوم، مرز منظومه شمسی را بر اساس میدان مغناطیسی خورشید تعریف می‌کند. خورشید با چرخش خود، میدان مغناطیسی عظیمی ایجاد می‌کند که به هلیوسفر معروف است. این حباب غول‌پیکر، باد خورشیدی (جریانی از ذرات باردار) را به اعماق فضا می‌فرستد. طبق این دیدگاه، هر جایی که تحت تاثیر باد خورشیدی و میدان مغناطیسی خورشید باشد، در منظومه شمسی قرار دارد.
اما مشکل از کجا آغاز می‌شود؟ در حالی که دیدگاه گرانشی وسعت عظیمی را به منظومه شمسی نسبت می‌دهد، دیدگاه مغناطیسی مرز دقیق‌تری را ترسیم می‌کند. کاوشگر وویجر 1، که در سال 1977 به فضا پرتاب شد، در حال حاضر در فاصله‌ای بسیار دور از خورشید قرار دارد. با توجه به دیدگاه گرانشی، وویجر 1 هنوز تحت تاثیر جاذبه خورشید است و در قلمرو منظومه شمسی محسوب می‌شود. اما در سال 2012، این کاوشگر از هلیوسفر عبور کرد و به فضای بین ستاره‌ای قدم گذاشت.
این تناقض، سردرگمی را به همراه دارد. آیا می‌توان گفت که وویجر 1 در آن زمان منظومه شمسی را ترک کرده است؟ یا جاذبه نامرئی خورشید، آن را در آغوش خود نگه داشته است؟
پاسخ به این سوال به ظرافت تعریف ما از “منظومه شمسی” بستگی دارد. اگر بر معیارهای دقیق‌تر مانند میدان مغناطیسی و باد خورشیدی تمرکز کنیم، می‌توان گفت که وویجر 1 در حال حاضر در قلمرو دیگری سفر می‌کند. اما اگر وسعت و نفوذ گرانشی خورشید را ملاک قرار دهیم، وویجر 1 همچنان عضوی از خانواده منظومه شمسی است.
این چالش، نشان‌دهنده پیچیدگی و ظرافت‌های دنیای واقعی است. مرزها در طبیعت همیشه دقیق و مطلق نیستند، و گاه تعاریف مختلف، تناقض‌هایی را به وجود می‌آورند. کاوش در اعماق فضا و مطالعه دقیق‌تر منظومه شمسی، به ما کمک می‌کند تا درک عمیق‌تری از این قلمرو شگفت‌انگیز و جایگاه خود در آن به دست آوریم.
