بسم الله الرحمن الرحیم



این مطلب سابقاً در وبلاگ  yunusphysics.persianblog.ir و درتاریخ 18 خردادماه 1392 منتشر شده است.
مقدمه –

"Voyager"
فضاپیماهای ویجر 1 و ویجر 2 در سال 1977 میلادی با فاصله کوتاهی پس از یکدیگر رهسپار نقاط دوردست منظومه شمسی شدند.هدف ویجرها شناخت بیشتر سیارات دوردست منظومه شمسی نظیر مشتری،زحل، اورانوس و نپتون بود.این ماموریت ویجرها که در واقع هدف اصلی آنها نیز بشمار می رفت در سال 1986 میلادی به پایان آمد. اما آنها هدف دیگری را نیز در ورای ماموریت اصلی خود تعقیب می نمودند؛

"شناسایی مرزهای منظومه شمسی"

شاید هرکسی در اولین نگاه به ساختار منظومه شمسی،آخرین مدار تعریف شده این سیستم را که همانا مدار پلوتون می باشد(که در حداکثر فاصله اش 7 میلیارد کیلومتر دورتر از خورشید قراردارد) بعنوان خروجی و مرزی برای منظومه شمسی تعبیر نماید.اما اینطور نیست!ویجر 2 در حدود 7 میلیارد کیلومتر دیگر اضافه بر آن پیمود تا توانست به مرزهای واقعی منظومه شمسی دست یابد!
آنچه که شما در این مقاله در قالب عکس یا مطلب ملاحضه می فرمایید بر مبنای داده ها و اطلاعاتیست که فضاپیماهای ویجر 1 و 2 از نقاط دور دست منظومه شمسی برای ما ارسال نموده اند.

چارچوب این مقاله ترجمه ایست از ؛

The Boundery Of The Solar System



مرز منظومه شمسی کجاست!؟-
وقتی می گوییم چیزی لبه یا مرز دارد،منظور چیست؟
بعضی اشیاء مانند یک میز یا یک زمین فوتبال دارای لبه و مرزهای مشخصی هستند،اما بعضی چیزهای دیگر مانند شهرها،ایالات،و یا کشورها دارای مرزهائی هستند که غیر قابل روئیت می باشند و دشوار است که بخواهیم تشخیص دهیم که دقیقاً محدوده آنها در کجا تمام شده و یک محدوده جدید آغاز می شود.
مفهوم مرز در منظومه شمسی به مرزبندی ایالات و کشورها بسیار شبیه تر است تا مرزبندی در یک زمین فوتبال.
گستره منظومه شمسی را می شود به قلمرو نفوذ خورشید نسبت داد،اما این قلمرو می تواند بمنزله هرکدام از این 3 مورد قلمداد شود؛
قلمرو نور خورشید -
قلمرو جاذبه خورشید -
قلمرو بادهای خورشیدی -
سیطره نور خورشید می توانست گزینه خوبی برای تعیین مرز منظومه شمسی تلقی شود.بدیهیست که نور خورشید هرچه که از آن دورتر می شویم کمرنگ تر می شود اما باید گفت که مرز و محدوده مشخصی وجود ندارد که نور خورشید متوقف شده و یا حتی به ناگهان ضعیف شود.
در مورد جاذبه چطور ؟
قلمرو جاذبه خورشید نیز همانند نور خورشید بدون حد و مرز است اگرچه در دوردستها بمراتب ضعیف تر می شود،اما واقعاً مرزی وجود ندارد که بخواهیم بگوئیم این جاذبه در آن منطقه متوقف می شود.
ستاره شناسان هنوز در آنسوی مرزهای پلوتون درحال کشف اجرام آسمانی هستند.
اما وضعیت "بادهای خورشیدی" (Solar Wind) با جاذبه و نور فرق دارد و می تواند بعنوان گزینه خوبی برای تعیین مرز منظومه شمسی در نظر گرفته شود!
این جریانهای خورشیدی با سرعت زیادی به سمت دوردستها و بسوی فضای بین ستارگان در حرکت هستند.
اگرچه ممکن است ما تصور کنیم که فضای میان ستارگان خالیست اما در حقیقت اینچنین نیست و آن نواحی شامل گازها و غبارات کیهانیست.
به این گازها و غبارات کیهانی مواد میان ستاره ای یا
                         (ISM (Interstellar Medium
 می گویند.
وزش جریان بادهای خورشیدی در برابر این مواد،در محیط اطراف خورشید یک حباب پاک و تمیز ایجادمی نماید که منظومه شمسی و متعلقاتش در درون آن قراردارند.
به این حباب "هلیوسفر" (heliosphere) گفته می شود.



شکل این حباب را نباید همانند یک حباب صابون در نظر بگیریم،بلکه شکل آن بیشتر شبیه توده بخاری است که بر اثر بازدم شما دریک هوای سرد زمستانی ایجاد می شود.دانشمندان معتقدند که نزدیک ترین بخشهای هلیوسفر دستکم 90AU 
(برابر با 13.5میلیارد کیلومتر) از مرکز منظومه شمسی فاصله دارد، یعنی چیزی در حدود 2.5 تا 3 برابر فاصله میان خورشید و پلوتون.
( AU- واحد نجومی یا Astronomical Unit  مسافتی است برابر با 149.600.000 کیلومتر که در واقع فاصله میان زمین و خورشید است.)
هلیوسفر یک نوع خروجی یا مرز را برای منظومه شمسی تعریف می نماید.
وقتیکه بادهای خورشیدی و مواد میان ستاره ای با یکدیگر برخورد می کنند چه اتفاقی رخ می دهد؟اگرچه مواد میان ستاره ای دارای تراکم و فشردگی اندکی هستند،اما همانند هوا دارای فشارند.بادهای خورشیدی نیز دارای فشارند.فشار بادهای خورشیدی در نزدیکی های خورشید و اطراف منظومه شمسی بسیار زیاد است و براحتی مواد میان ستاره ای را به عقب می راند.اما آنسو تر از خورشید و در فواصل دوردست، فشار مواد میان ستاره ای بر فشار بادهای خورشیدی غلبه و برتری دارد و همین امر سبب می شود تا جریان حرکت بادهای خورشیدی آهسته شده و نفوذ بیشتر به داخل فضا برای آن ناممکن شود.

به منطقه ای که جریان بادهای خورشیدی و مواد میان ستاره ای باتوان و نیروئی برابر در واکنش متقابل با یکدیگر قرارمی گیرند، منطقه
                           "هلیوسهت" ( heliosheath)

گفته می شود.

هلیوسهت ( heliosheath) دارای چند قسمت است؛
1-      "شوک نهائی" (termination shock) ، که به داخلی ترین قسمت مرزهای منظومه شمسی گفته می شود.
2-      "هلیوپاز" (heliopause) ، که به خارجی ترین قسمت مرزهای منظومه شمسی گفته می شود.
3-      و قسمت هائی که بین این دو مرز واقع شده است.
وقتیکه خورشید درحال حرکت است،وضعیت حباب هلیوسفر نسبت به مواد میان ستاره ای که گرداگرد منظومه شمسی را فراگرفته است همانند یک قایق است که در میان اقیانوس در حرکت است.
به قسمت جلوئی این قایق که امواج را می شکافد و به پیش می رود،"توده خمیده" یا "امواج انحنا یافته"(Bow Shock or Bow Wave) می گویند.
ISM یا مواد میان ستاره ای چه هستند؟

فضا خالی نیست،اگرچه شاید اینگونه به نظر برسد.

در واقع در کهکشان عزیز مان،راه شیری، نوعی از مواد فضای مابین ستارگان را پر کرده اند.
به این نوع مواد، “ISM”  یا  "ماده میان ستاره ای" می گویند.
ISM  عمدتاً از ابرهائی از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است،الباقی آن را نیز عناصر سنگینی نظیر کربن تشکیل می دهند و همچنین در حدود 1 درصد از آن نیز گردوغبار است.گرچه در بیشتر نقاط فضا ISM ابداً غلیظ نیست،اما در بعضی از نواحی بسیار غلیظ است.
به هر تقدیر می بایست بدانیم که حتی غلیظ ترین قسمتهای ISM دستکم 1014 مرتبه از اتمسفر زمین رقیق تر است.
دامنه چگالی ISM از 0.003 ملکول در سانتیمتر مکعب در نواحی گازهای یونیزه(یا نواحی پلاسما) را شامل می شود تا نواحی که مقدار آن به بیش از صد هزار ملکول در سانتیمتر مکعب می رسد،جائیکه محل شکل گیری ستارگان است.
اما در مجموع،متوسط چگالی ISM در سراسر فضا برابر با 1000 ذره غبار در هرکیلومتر مکعب است!
در نواحی "شبه ستاره ای" در ISM - جائیکه ستارگان در مراحل پیش تولید قراردارند- غلظت مواد برای ایجاد جاذبه و کشش گاز و غبار بسوی هم و متراکم کردن آنها به شکل یک کره داغ و پر حرارت،کافیست. این "پیش ستاره ها" (protostars) نهایتاً غلیظ تر و داغ تر می شوند تا آنجا که همجوشی هسته ای(یا فرآیندی موسوم به چرخه کربن) در آنها آغاز می شود،و آن در حقیقت سرآغاز زندگی یک ستاره است.
 اگرچه ستارگان موجودات زنده ای نیستند اما دارای چرخه حیاتند؛
آنها از میان ISM متولد می شوند،رشد ونمو می نمایند و نهایتاً می میرند!
مرگ بعضی از ستارگان بر اثر انفجاریست که به آن "سوپرنوا" یا "ابرنواختر" گفته می شود.
(مطابق قانونی موسوم به "حد چاندرا"،ستارگانی که جرم آنها کمتر از 1.2 برابر جرم خورشید باشد،مرگ و پایانی به شکل ابرنواختر نخواهند داشت.)
در پی انفجار یک ستاره،مواد حاصله از فرآیند ابرنواختری آن،مجدداً به میان ISM باز می گردد.
در حقیقت ستارگان منهدم شده با بقایای خودشان بطور مداوم ISM  را شارژ می کنند.
و از سوی دیگر نیز بطور منظم در ISM ،مواد بر اثر جاذبه و کشش تراکم یافته و زمینه ظهور و شکل گیری ستارگان جدید را سبب می گردند.

"موج خمیده" یا "توده انحنا یافته" چیست؟
"موج خمیده" به قسمت جلوی هلیوسفر گفته می شود،آنچنان که گوئی خورشید در حال حرکت در بین مواد میان ستاره ایست.
اگر فرض کنیم که سرعت حرکت خورشید در میان ISM بیش از سرعت صوت باشد،"توده خمیده" شکل خواهد گرفت،اما اگر این سرعت به زیر سرعت صوت برسد"امواج انحنا یافته" شکل می گیرد.


"هلیو پاز" چیست؟

هلیوپاز در حقیقت مرز بین "بادهای خورشیدی" و "ISM" است.

همانطور که گفته شد؛
وزش بادهای خورشیدی ،گرداگرد خورشید و فضای داخلی منظومه شمسی را جارو کرده و از گرد و غبار پاک نموده است،چنانکه گوئی یک حباب شفاف در میان ISM ایجاد شده است،حبابی که به آن هلیوسفر می گوئیم.مرز خارجی این حباب جائیست که قدرت بادهای خورشیدی در آن مناطق درحدی نیست که بتواند مواد میان ستاره ای را به عقب براند.این محدوده بنام هلیوپاز شناخته می شود و غالباً از آن بعنوان مرزهای بیرونی منظومه شمسی یاد می شود.
منطقه مابین "هلیوپاز" و "شوک نهائی" به "هلیوسهت" موسوم است.

"شوک نهائی" چیست؟
شوک نهائی که بعنوان یکی از مرزهای منظومه شمسی شناخته می شود،جائیست که سرعت حرکت "ذرات بادهای خورشیدی" در آن نواحی به زیر سرعت صوت می رسد،و این موضوع زمانی اتفاق می افتد که بادهای خورشیدی پرس مواد میان ستاره ای را آغاز می کنند.
جنس بادهای خورشیدی از پلاسما است و زمانیکه سرعتش کاهش پیدا می کند تغییرات زیادی در آن ایجاد می شود.
بادهای خورشیدی در پیرامون خورشید از قدرت زیادی برخوردارند بطوریکه بسادگی مواد میان ستاره ای را به عقب می رانند،اما هرچه که این جریانات خورشیدی از خورشید دورتر می شوند سرعت و قدرت آنها کمتر و کمتر می شود تا جائیکه دیگر توان آنها برای به عقب راندن مواد میان ستاره ای کافی نیست.
به این نواحی،منطقه شوک نهائی گفته می شود،جائیکه سرعت بادهای خورشیدی آهسته تر از سرعت صوت است.
ما تنها 2 اندازه گیری مستقیم و حقیقی از شوک نهائی داشته ایم آنهم بواسطه فضاپیماهای ویجر 1 و ویجر 2 که بسوی مناطق بیرونی منظومه شمسی و فضای لایتناهی در حرکت هستند.
ویجر 1 زمانی از شوک نهائی عبور کرد که میزان فاصله اش تا مرکز منظومه شمسی AU94 بود،اما ویجر 2 پس از طی مسافتی برابر با AU84 از منطقه شوک نهائی رد شد.
(زمانیکه در سال 2004، ویجرها با منظومه شمسی وداع نموده و راهی فضای لایتناهی شدند،فاصله آنها بقدری زیاد بود که تبادل پیام بین آنها و زمین 14 ساعت بطول می انجامید.)
این عکس را یکی از ویجرها هنگام خروج از منظومه شمسی از زمین گرفت.همانطور که در عکس نیز مشاهده می کنید زمین از آن فاصله همچون یک نقطه کوچک به نظر می رسد!
مرزهای منظومه شمسی چه تاثیر و فایده ای برای ما دارند؟

" زمین و اتمسفر - منظومه شمسی و هلیوسفر "

مواد میان ستاره ای اگرچه دارای غلظت زیادی نیستند اما به سبب برخورداری از خاصیت تابش یا همان تشعشع،فوق العاده خطرناک می باشند!
همواره مقداری از امواج پر انرژی کیهانی از مرزهای منظومه شمسی گذر کرده و به داخل آن سرازیر می شوند،اما باید بدانیم که این مقدار چندان زیاد نیست.
در هلیوپاز بخشی از این مواد کاسته می شود،سپس از مقدار باقیمانده بیش از 50 درصد آن نیز بین هلیوپاز و شوک نهائی (در فاصله تقریبی 100 واحد نجومی)متوقف می شود.و نهایتاً مقدار باقیمانده با سطح انرژی کمتر از 25 درصد به داخل منظومه شمسی نفوذ می کند.
اگر منظومه شمسی دارای مرز و حریم نبود یا اینکه مرزهایش در نزدیکی مدار زمین بود(یعنی بجای آنکه در فاصله 100 AU قرارداشته باشد،در فاصله 1 AU قرار داشته و چسبیده به مدار زمین و منطبق بر اتمسفر بود!) میزان تشعشعات کیهانی دستکم 4 برابر میزان فعلی می شد.
بدیهیست که چنانچه میزان تشعشعات کیهانی بیش از مقدار فعلی می بود،سبب تخریب لایه ازن شده و تخریب لایه ازن نیز سبب دگرگونی در DNA می شد.
خوشبختانه وجود کمربند ون آلن،میدان مغناطیسی اطراف زمین و هچنین جو یا اتمسفر،همگی در حکم محافظین و گماشتگانی هستند که ما را در برابر تشعشعات کیهانی که از خارج منظومه شمسی بسوی ما می آیند،محافظت می کنند.

تشعشعات کیهانی چه هستند؟
"تابش کیهانی" (Cosmic Rays) نامیست برای هر ذره انرژیک که از خارج منظومه شمسی بسوی ما گسیل می شود.
این ذرات می توانند پروتونهای آزاد،هسته اتمهای مختلف یا الکترونها باشند.
تابش های کیهانی نه نور هستند و نه باریکه هائی از ذرات،پس احتمالاً ما باید آنها را "ذرات پر انرژی کیهانی" بنامیم.
اغلب این تشعشعات ره آورد یک انفجار ستاره ای(یا ابرنواختر)هستند،اما برخی تابش های کیهانی نیز توسط ستارگانی نظیر خورشید تولید می شوند و برخی دیگر حتی می توانند از کهکشان های بسیار دوردست آمده باشند.
این ذرات بسیار ریز اما پر انرژی هستند،و از آنجائیکه در فضا سفر می کنند به ندرت با شیء یا چیزی به شکل مستقیم برخورد می کنند،اما اگر چنین چیزی رخ بدهد می تواند سبب واکنش های هسته ای بشود،نظیر آنچه که در شتابدهنده های ذرات اتفاق می افتد.
هلیوسفر خورشید از سیارات و سایر متعلقات منظومه شمسی در برابر این تشعشعات مرگبار محافظت می نماید،و جو زمین و میدان مغناطیسی آن نیز از حیات بر روی زمین محافظت می کند در مقابل بخشی از این تشعشعات که از هلیوسفر عبور کرده است.

(هلیوسفر برای منظومه شمسی در حکم جو و اتمسفر برای زمین است!)

تشعشعات کیهانی چطور بر DNA تاثیر می گذارند؟
تشعشعات کیهانی می توانند بطور جدی به DNA آسیب و خسارت وارد نمایند.اگر  DNAدچار آسیب شود می تواند این آسیب دیدگی را در تعداد بسیار زیادی از سلولهای تولید شده کپی کند که این امر سبب ایجاد یک دگرگونی خواهد شد.چنانچه انسان مستمراً در معرض مقدار زیادی تابش کیهانی قرارداشته باشد،احتمال ابتلا به آب مروارید،بیماریهای سیستم عصبی و سرطان در او افزایش خواهد یافت.

"اتمهای انرژی طبیعی" چه هستند؟
اتمهای پر انرژی طبیعی (Energetic Neutral Atoms) ذراتی هستند که بدون نیاز به شارژ،نسبتاً سریع حرکت می کنند.آنها متشکل از ذرات یونیزه هستند،بدین مفهوم که آنها الکترون از دست داده اند.
گهگاه این یونها در تراکنش با اتمهای طبیعی از آنها الکترون دریافت می کنند و به شکل طبیعی خودشان باز می گردند.
هنگامیکه این ذرات بیش از حد شارژ نمی شوند(یعنی الکترونها و پروتونهای برابری دارند)به میدان مغناطیسی واکنش نشان نمی دهند و به شکل یک خط مستقیم سفر می کنند تا به منطقه تعامل یا برهم کنش برسند.
منطقه تعامل یا برهم کنش اصطلاحاً به نواحی گفته می شود که مواد میان ستاره ای و بادهای خورشیدی در تقابل بایکدیگر قراردارند(محدوده ای از مرزهای منظومه شمسی) ذرات در این نواحی نوعی تعامل یا برهم کنش  انجام می دهند که به این برهم کنش میان آنها تبادل شارژ گفته می شود.تبادل شارژ می تواند بین ذراتی از بادهای خورشیدی یونیزه شده و ذراتی از مواد میان ستاره ای اتفاق بیافتد.بعضی از این ذرات پر انرژی که همواره به تنهائی سفر می کنند اسیر فضاپیمای  IBEX می شوند.
IBEX فضاپیمائی است که برای همین منظور(به دام انداختن اتمهای انرژی طبیعی یا همان ذرات پرانرژی)  طراحی و ساخته شده است.
دسته پروتونهای آزاد و سایر ذرات پرانرژی ماحصل این تراکنشها و تعاملات که سرگردان شده و نمی توانند درجهت خاصی حرکت نمایند توسط  IBEX جذب می شوند.حسگرهای IBEX توانائی جذب ذرات از یک جفت ذره در ساعت تا چند جفت در دقیقه را دارند.
(ذراتی که در پژوهشگاه سرن در جریان آزمون قراردارند،در زمره همین ذراتند.) 
تصویری از فضاپیمای IBEX