Misja kosmiczna Voyager 1 bada własności ośrodka międzygwiazdowego od roku 2012. Jest pierwszą sondą, która prowadzi te badania in situ, czyli znajdując się w tym samym miejscu, co przedmiot jej analiz. Najnowszym odkryciem Voyagera 1 jest falowanie plazmy, która jest jednym ze składników materii międzygwiazdowej.
Ośrodek międzygwiazdowy składa się z materii międzygwiazdowej i innych form energii, takich jak neutrina i promieniowanie elektromagnetyczne. Materia międzygwiazdowa składa się natomiast z gazu, pyłu oraz plazmy. Plazma to zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w której znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie, mając postać swobodnych jonów i elektronów. Pomimo tego, w skali makroskopowej plazma jest elektrycznie obojętna. Voyager 1 zmierzył gęstość plazmy na przestrzeni około 30 jednostek astronomicznych. Pomiary te pokazały wielkoskalowy gradient gęstości plazmy i turbulencje, do których dochodzi za granicą heliopauzy.
Dotychczasowe badania gęstości plazmy polegały wyłącznie na wykrywaniu incydentalnych oscylacji plazmy generowanych przez fale uderzeniowe propagujące się ze Słońca. Pierwsza detekcja tego rodzaju miała miejsce w listopadzie 2012 r., trzy miesiące po opuszczeniu heliosfery. Wtedy to Voyager 1 po raz pierwszy usłyszał międzygwiezdne dźwięki. Sześć miesięcy później pojawił się kolejny „gwizdek” – tym razem głośniejszy i jeszcze wyższy. Ośrodek międzygwiazdowy wydawał się gęstnieć i to szybko. Gdyby zmierzone częstotliwości dotyczyły fali akustycznej (a nie dotyczą – to, co Voyager 1 mierzy, to zmienność potencjału elektrycznego w antenie o nazwie Plasma Wave System), można byłoby usłyszeć je jako dźwięki takie, jak w poniższym materiale:
Badania wykonane przez Stellę Koch Ocker, doktorantkę astronomii na Uniwersytecie Cornell, USA, ujawniły istnienie nowej klasy bardzo słabej, wąskopasmowej emisji plazmowej (fali), która utrzymuje się od 2017 roku. Fala ta umożliwia pierwszy równomiernie próbkowany pomiar gęstości międzygwiazdowej plazmy na odcinku około 10 jednostek astronomicznych (AU), ze średnim czasem próbkowania wynoszącym 3 dni lub, równoważnie, 0,03 AU. Zaobserwowane fluktuacje gęstości plazmy mają skale przestrzenne rzędu 1 AU i są rezultatem turbulencji, do których dochodzi w ośrodku międzygwiazdowym. Można je dostrzec pomiędzy epizodami oscylacji plazmy wykrytymi we wcześniejszych analizach. Rezultatem tej analizy jest publikacja, która ukazała się w majowym numerze Nature Astronomy (Ocker, Cordes, Chatterjee, et al. 2021).
Od czasu przekroczenia heliopauzy, Voyager 1 znajduje się w tzw. „Bardzo Lokalnym Ośrodkiem Międzygwiazdowym”. Wykonuje tam obserwacje, które służą do pomiaru gęstości plazmy poprzez wykrywanie zdarzeń oscylacji plazmy (Plasma Oscillation Events, POE). Są one widoczne jako wyraźne struktury o szerokości od 0,2 do 0,4 kHz w widmie mocy, jak pokazane na poniższej ilustracji pochodzącej z pracy Ocker, Cordes, Chatterjee, et al. (2021). Widmo mocy uzyskane dla obserwacji wykonanych przez Voyagera 1 od momentu przekroczenia heliopauzy 25 sierpnia 2012 r. do początku 2020 roku pokazuje wiele interesujących struktur i cech. Najwyraźniejsze są sygnały umiejscowione między 1,9 a 3,5 kHz. Rozdzielczość czasowa tego widma wynosi 3 dni, zaś rozdzielczość w częstotliwości, 0,011 kHz.
Każda kolumna pikseli ilustracji na górnym panelu jest jednowymiarowym widmem mocy, będącym średnią ze wszystkich obserwacji wykonanych w oknie czasowym 3 dni, trwających sumarycznie około 48 sekund. Struktury widoczne w tym widmie są opisane na panelu dolnym. Są wśród nich odkryte wcześniej incydenty oscylacji plazmy (POE). Dwa z tych incydentów są stowarzyszone ze wstrząsami zarejestrowanymi przez magnetometr Voyagera 1. Gwiazdki wskazują momenty detekcji silnych strumieni promieni kosmicznych zarejestrowanych przez aparaturę pokładową. Słaba emisja plazmy odkryta przez Ocker i współpracowników jest zaznaczona grubą szarą linią. Oszacowanie poziomu słabej emisji plazmy na czas poprzedzający analizowane dane jest zaznaczone grubą przerywaną szarą linią.
Gęstość elektronowa badanej materii jest pokazana na pionowej osi z prawej strony wykresu. Widać, że częstotliwość słabej emisji plazmy jest zbliżona do wartości zmierzonych dla POE w 2015 i 2016 roku i pozostaje zgodna z wartością gęstości elektronowej ne ~ 0,11 cm−3, która jest średnią gęstością Lokalnego Obłoku Międzygwiazdowego oszacowaną na podstawie linii absorpcyjnych węgla w widmach pobliskich gwiazd.
Czas trwania poszczególnych POE waha się od kilku dni do około roku. Uważa się, że są one generowane wskutek interakcji z falami uderzeniowymi rozchodzącymi się w heliosferze. Interesującą cechą POE jest obserwowany trend wzrostu częstości oscylacji, który przypisywany wzrostowi gęstości plazmy. Poniższa ilustracja, również z pracy Ocker, Cordes, Chatterjee, et al. (2021) pokazuje tylko obserwacje analizowane przez autorów, przy zastosowaniu różnych technik wizualizacji, celem jak najlepszego pokazania odkrytego falowania. Zakresy koloryzacji są pokazane na skali umieszczonej w prawym górnym roku każdego z paneli.
Możliwe mechanizmy słabej emisji wąskopasmowej plazmy są obecnie dyskutowane. Może być ona generowana wskutek procesów termicznych lub supratermicznych (czyli takich, w których cząstki mają prędkości wyższe od prędkości termicznych w danym ośrodku). W ośrodku międzygwiazdowym badanym przez Voyagera 1, elektrony supratermiczne mogą pochodzić z wnętrza heliosfery lub z obszaru, w którym wiatr słoneczny zderza się z plazmą międzygwiazdową. Oscylacje plazmy mogą też być wzbudzane przez niskoenergetyczne promienie kosmiczne pochodzące od bliskich gwiazd. Każde wyjaśnienie tego rodzaju musi uwzględniać fakt, że miejsce, od którego emisja jest obserwowana, znajduje się w odległości około 15 AU od heliopauzy oraz, że jest to proces, który utrzymuje się przez całe lata.
Więcej informacji:
Ocker, S.K., Cordes, J.M., Chatterjee, S. et al. Persistent plasma waves in interstellar space detected by Voyager 1. Nat Astron (2021) (dostęp publiczny przez: Springer Nature SharedIt).
Autor: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Voyager 1 w przestrzeni kosmicznej (wizja artystyczna). ©NASA/JPL-Caltech
