De heliosfeer vormt de uiterste verdedigingswal van ons zonnestelsel. Twee recent gelanceerde ruimtemissies moeten helpen het begrip te vergroten van deze mysterieuze buitengrens.
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
U heeft het vermoedelijk nooit gemerkt, maar de gehele geschiedenis van de zon, de aarde, de mensheid én van uzelf heeft zich afgespeeld in het binnenste van een opgeblazen ballon. Denk daarbij niet aan een exemplaar van latex of plastic, de materialen waaruit de ballonnen van het gemiddelde verjaardagsfeestje bestaan. Nee, de kosmische ballon waarin wij ons bevinden wordt opgeblazen door de zon en krijgt vorm door een nog grotendeels onbegrepen samenspel van botsende hoogenergetische deeltjes en kronkelende magneetvelden.
Op een raket van SpaceX vertrokken vanuit Amerika afgelopen september daarom niet één, maar twee ruimtemissies die – van een afstandje – het menselijk begrip van de buitenrand van die ballon flink moeten vergroten. De ene, IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) is van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa, de andere, SWFO-L1 (Space Weather Follow On-Lagrange 1) van het klimaatonderzoeksinstituut Noaa.
De buitenrand is, in tegenstelling tot die van een echte ballon, niet iets tastbaars, dat je met je vingers kunt beroeren of met je ogen kunt zien. De verzameling hoogenergetische deeltjes en magneetvelden die de heliosfeer opspannen, kun je zelfs prima binnen vliegen met een sonde of ruimteschip.
Krachtige straling van buiten het zonnestelsel daarentegen slaat zich stuk op die buitengrens. Of, nauwkeuriger: de grens is precies die plek waar de straling van de zon in evenwicht is met de verzamelde straling van verre, andere sterren, plus de druk van het zogeheten interstellaire medium, de collectie deeltjes en stofjes die door de ruimte tussen de sterren dwarrelen. Op die manier scheidt die rand het ‘binnenste’ zonnestelsel van de ruimte daarbuiten.
‘Alle andere sterren buiten het zonnestelsel produceren net als de zon zelf ook kosmische straling en dan komen er ook nog versnelde deeltjes vrij uit processen zoals supernova-explosies’, zegt astrofysicus Manuela Temmer van de universiteit van Graz in Oostenrijk, expert op het gebied van de heliosfeer, verwijzend naar de krachtige knallen waarmee zware sterren sterven. ‘De heliosfeer is dus een soort schild, iets dat ons beschermt tegen een voor de aarde gevaarlijk bombardement met plasma en deeltjes afkomstig uit die diepe ruimte.’
Logisch dus, dat de mensheid graag meer wil weten over die verste verdedigingswal van het zonnestelsel. En waar vergelijkbare missies in de toekomst veel lastiger zullen worden, door de sterke bezuinigingen van de regering-Trump op de wetenschappelijke programma’s van de betrokken Amerikanse overheidsinstituten, waren beide sondes in dit geval tijdig klaar om de dans te ontspringen. Vandaar dat ze door het donker van de kosmos koersen, op weg naar hun eindbestemming, de plek vanwaaruit ze die nog veel verder weg gelegen buitengrens kunnen bestuderen.
De heliosfeer bevindt zich naar menselijke maatstaven duizelingwekkend ver weg, tot wel honderden malen verder verwijderd van de aarde dan de afstand tussen onze planeet en de zon. Dat plaatst de heliosfeer een flink eind voorbij planeet Neptunus, de verste planeet van het zonnestelsel.
Sterker nog: de heliosfeer bevindt zich zelfs voorbij de uitgestrekte Kuipergordel daarachter, waar talloze ruimterotsen anoniem door het kosmische deinen, een verzameling restanten van de periode van planeetvorming waarvan dwergplaneet Pluto de onbetwiste koning is.
Dat is zo onvoorstelbaar ver weg dat door mensen gemaakte voorwerpen er slechts tweemaal geweest zijn. Alleen de in de jaren zeventig gelanceerde ruimtesondes Voyager 1 en Voyager 2 passeerden ooit fysiek de heliosfeer.
Die sondes werden wereldberoemd dankzij de gouden platen die ze aan boord meetorsen, met daarop een selectie muziek, geluiden en beelden van de aarde, bovenal bedoeld als een tijdcapsule die het verhaal van onze wereld en haar bewoners vertelt voor het geval de sondes onderweg op buitenaards leven stuiten.
De Voyager-sondes vertrokken met een missie die op het eerste gehoor wel wat wegheeft van het beroemde motto van de televisieserie Star Trek. Ze moesten ‘gebieden verkennen waar niets aards eerder is geweest’, zo omschrijft de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa het op de eigen website.
Met de passage door de heliosfeer slaagden beide sondes glansrijk in die missie. Voyager 1 passeerde die buitengrens als eerste, in 2012, waarna Voyager 2 volgde in 2018. Voor een gevoel hoever ze daarvoor precies moesten reizen: Voyager 2 deed er vanaf zijn lancering in 1977 zo’n twaalf jaar over om ijsreus Neptunus te bereiken, de verste planeet. Daarna kostte het nog eens dertig jaar om de heliosfeer achter zich te laten. En al die tijd vloog de sonde met een fikse 55 duizend kilometer per uur door het zonnestelsel.
Wetenschappelijk waren de passages door de Voyager-sondes van de heliosfeer bijzonder interessant. Men zag plots allemaal afwijkingen van het versimpelde idee waarin de heliosfeer een soort gladde bol was, een beeld dat tot dan toe in zwang was. ‘We ontdekten asymmetrieën veroorzaakt door onbekende processen’, zegt Temmer. ‘Magneetvelden misschien, die zorgen voor een extra krachtenspel.’ Zo bleek de buitengrens bij de passage van Voyager 2 dunner dan verwacht, terwijl de magnetische velden net daar voorbij juist sterker bleken.
Waar de heliosfeer zich precies bevindt, kan overigens variëren. Je kunt het, zegt Temmer, wel wat vergelijken met wat er gebeurt wanneer je een gootsteen vult met water en vervolgens de kraan opendraait. ‘Dan maak je een kuil in het water’, zegt ze. Waar het water uit de kraan op het wateroppervlak valt, ontstaat een soort stroming in alle richtingen. ‘Afhankelijk van hoever je de kraan opendraait, kun je die kuil daarmee groter of kleiner maken.’
Net zo gaat het met de zon: de variabele kracht van de zonnewind leidt ertoe dat het binnenste zonnestelsel niet altijd even groot is. Het formaat van de bel varieert en daarmee fluctueert dus ook de afstand tot de heliosfeer.
Komt nog eens bij dat de zon zelf ook beweegt door ons thuissterrenstelsel, de Melkweg. ‘Er zijn in het verre verleden van het zonnestelsel perioden geweest dat we door andere interstellaire wolken bewogen’, zegt sterrenkundige Peter Wurz van de Universiteit van Bern in Zwitserland.
Daarmee varieert ook de druk van buiten door de tijd. Beweegt het zonnestelsel gedurende zo’n kosmisch epoch door een dikker samengepakte wolk, dan wordt ook de ballon rond de zon vanzelf kleiner. ‘Als de heliosfeer tot voorbij de aarde wordt gedrukt, dan sta je plots bloot aan de krachtige straling van buiten het zonnestelsel. Die historische veranderingen van de afstand tot de heliosfeer hebben daarom mogelijk ook invloed gehad op de ontwikkeling van het leven op aarde’, zegt hij.
Op dit moment bevindt de aarde zich in de ‘lokale interstellaire wolk’ en ligt de heliosfeer op veilige afstand van de aarde. Maar ons zonnestelsel koerst wel degelijk opnieuw af op zo’n dichter samengepakt gebied, de ‘G-wolk’, waar het over een grove paar duizend jaar arriveert. Dat is lang genoeg dat zelfs onze achterkleinkinderen dat niet meer zullen meemaken, maar tegelijk voldoende dichtbij in de kosmische toekomst dat er dan vermoedelijk mensen zullen leven die de effecten van dichtbij gaan meemaken.
Ondertussen is het ook voor de huidige mens interessant dat beide onlangs gelanceerde sondes, IMAP en SWFO-L1, meer over de heliosfeer leren. De sondes zijn op dit moment op weg naar een lagrangepunt, zoals astronomen dat noemen, een plek in de ruimte waar de zwaartekracht van de zon en de aarde elkaar in evenwicht houden, iets dat het een populaire bestemming maakt voor langdurige ruimtemissies.
Zo hangt ook ruimtetelescoop James Webb, het paradepaardje van de internationale astronomie, in zo’n lagrangepunt – zij het een ander. Waar Webb zich bevindt bij ‘L2’, verder van de zon, achter de aarde, zitten IMAP en SWFO-L1 straks in ‘L1’, tussen de aarde en de zon in. In dit geval is dat juist een voordeel. Beide sondes kijken straks namelijk eerst naar de zonnewind vanaf de zon die door het binnenste zonnestelsel trekt.
De zonnewind is de stroom van geladen deeltjes die de zon uitstoot, en die verderop, aan de buitengrens van het zonnestelsel, op de interstellaire ruimte botst en daarmee de heliosfeer creëert. ‘We begrijpen nog steeds niet goed hoe de zonnewind wordt versneld tot de snelheden die we ervan waarnemen en hoe het de temperatuur krijgt die we zien’, zegt Wurz.
Het zijn vraagstukken waar ook de huidige zonnesondes Parker Solar Probe van Nasa en de Solar Orbiter van Esa antwoord op zoeken, al geldt hier nadrukkelijk: meer gezichtspunten is beter. ‘Het is handig om de zon vanuit verschillende hoeken en afstanden te bekijken’, zegt Wurz.
Van de twee nieuwe sondes richt SWFO-L1 zich daarbij vooral op het verbeteren van de waarschuwingen voor die zonnewind zelf. Want wanneer de zon de aarde met zulke hoogenergetische deeltjes onder vuur neemt, levert dat soms gevaar op voor astronauten die zich in de ruimte bevinden. Die moeten op het internationale ruimtestation ISS dan bijvoorbeeld schuilen achter de watertanks, die zulke deeltjes afvangen en afremmen.
Maar ook voor satellieten rond de aarde kunnen zulke deeltjesstormen gevaarlijk zijn. In extreme gevallen kan zelfs schade ontstaan aan het elektriciteitsnet op de aarde zelf. Bij een recente test door de Europese ruimtevaartorganisatie Esa bleek dat bij een zonnestorm met de kracht van het zogeheten Carrington-event uit 1859, de krachtigste uit de recente geschiedenis, alle satellieten schade zouden oplopen. Zo’n scenario is geen kwestie van of, maar van wanneer.
‘Alleen met al deze instrumenten bij elkaar kunnen we toe naar voorspellingen van het zonneweer waar satellieten in de praktijk baat bij zullen hebben’, zegt Wurz. Bijvoorbeeld doordat er dan voldoende tijd is om satellieten preventief in een ‘veilige modus’ te zetten, waarbij niet-essentiële systemen zijn uitgeschakeld die gevoelig zijn voor de invloed van het bombardement met geladen deeltjes.
Ook IMAP bekijkt mede daarom de zonnewind. Zo belooft het instrument onder meer dat astronauten, ruimtevaartuigen en satellieten in de omgeving van de aarde straks grofweg een half uur van tevoren gewaarschuwd kunnen worden wanneer schadelijke straling vanaf de zon naar onze planeet vertrekt.
IMAP werpt ondertussen ook expliciet de blik op die magnetische bel aan onze kosmische buitengrens, de heliosfeer. ‘Dat schild begrijpen, waarom het werkt, hoe het werkt, hoeveel het door de tijd verandert, is overduidelijk erg belangrijk voor de menselijke verkenning van de ruimte voorbij de nabije omgeving van de aarde’, zei hoofdonderzoeker David McComas kort na lancering tegen The New York Times.
Eén manier waarop de sonde dat gaat doen, is door te zoeken naar een zeer zeldzame gebeurtenis: het moment dat een positief geladen proton uit de zonnewind in de buitenste lagen van de heliosfeer een elektron vangt, daarna transformeert naar een elektrisch neutraal waterstofatoom en dan terugvalt naar het binnenste deel van het zonnestelsel, waar IMAP dat deeltje – intussen jaren later – kan betrappen.
McComas vergelijkt dat met de kans dat je bij golf een hole-in-one slaat, maar dan over een afstand van grofweg 16 miljard kilometer. Klinkt onmogelijk? Dat valt in de praktijk mee: gegeven de enorme hoeveelheid deeltjes die de zon op elk moment uitstoot, is de verwachting dat IMAP zo’n signaal vaak genoeg kan opvangen om daaruit statistisch significante kennis te destilleren over de heliosfeer.
Dat de heliosfeer zo duizelingwekkend ver weg staat, hoeft dan ook niet te betekenen dat wetenschappers er niets nieuws over kunnen leren, benadrukt Wurz, die zelf meewerkte aan twee van de instrumenten aan boord van de sonde. ‘We zijn al ruim twintig jaar met dit project bezig’, zegt hij.
‘Je moet IMAP zien als een observatorium. Net zoals je sterren kunt observeren die op duizelingwekkende afstanden staan doordat hun licht, hun fotonen, ons bereiken, kunnen we ook de heliosfeer bestuderen. In dat geval dus niet door licht, maar door atomen’, zegt hij.
Wurz werkte onder meer mee aan de IMAP-Lo, het instrument dat die kosmische hole-in-one moet betrappen, maar de grootste bijdrage hadden hij en zijn collega’s aan de IMAP-Hi, die kijkt naar precies hetzelfde soort deeltjes, met dit verschil dat ze niet afkomstig zijn uit de zonnewind, maar uit de interstellaire ruimte.
De heliosfeer is, mede dankzij eerdere onderzoeksmissies en het bezoek van de Voyager-sondes, overigens geen volkomen terra incognita. Aan de binnenkant, waar de zonnewind begint met afremmen en opwarmen door de interactie met het interstellaire medium, bevindt zich wat fysici kennen als de termination shock. De buitenrand, waar de zonnewind geheel tot stilstand komt door de straling en het materiaal tussen de sterren, heet de heliopauze.
Dat is geen gladde grens. Neem het feit dat op de zon af en toe zonnestormen zijn, krachtige deeltjesuitbarstingen waarvoor IMAP en SWFO-L1 de mensheid willen waarschuwen, zodat netwerkbeheerders bijvoorbeeld preventief elektriciteitscentrales kunnen uitschakelen. Zulke stormen vinden altijd plaats op één bepaald deel van de zon en vliegen dus in één bepaalde richting. Alleen al daardoor golft en deint de heliosfeer, en staat die dus niet in alle richtingen even ver bij ons vandaan.
IMAP draait straks elke vijftien seconden om zijn as en kan daardoor met zijn tien instrumenten elk deel van die golvende heliosfeer in kaart brengen. Dat doet het instrument overigens niet alleen dankzij metingen aan de geladen deeltjes van de zonnewind, plus de neutrale deeltjes die naar het binnenste zonnestelsel buitelen, maar ook door bijvoorbeeld de magnetische velden in de interplanetaire ruimte in kaart te brengen en door de compositie van stofdeeltjes van binnen én buiten het zonnestelsel te bepalen.
En dan staat ook het volgende ‘Voyager’-moment al op het programma. Met dank aan ruimtesonde New Horizons.
Die missie maakte eerder al de meest gedetailleerde foto’s ooit van dwergplaneet Pluto, bracht daarna de Kuipergordel in kaart en ontdekte zo onder meer dat die buitenwijk van het zonnestelsel wellicht een stuk groter is dan gedacht.
Maar nu lonkt ook de uitgang van dat gebied, en de heliosfeer daar weer achter, waarmee de sonde de derde uit de menselijke geschiedenis kan worden die ter plekke metingen verricht binnen in de heliosfeer.
Als dat bovendien gebeurt wanneer IMAP en SWFO-1 tegelijk de zon in de gaten houden, kan dat de menselijke kennis flink versterken. ‘Dan ontvangen we tegelijk informatie van binnen in de heliosfeer én kennen we heel exact de zonnewind’, zegt Wurz. ‘Dat kan opwindend worden en heel nieuwe inzichten opleveren.’
Door de variabele zonnewind weet niemand precies wanneer de passage van New Horizons door de heliosfeer zal zijn. ‘Het kan gemakkelijk 10 AU schelen’, zegt Wurz, verwijzend naar een Astronomical Unit, een onder sterrenkundige populaire afstandsmaat die gelijkstaat aan éénmaal de afstand aarde-zon. ‘Het kan dan gerust drie jaar eerder of drie jaar later raak zijn. Dat maakt voorspellen lastig. Met Voyager waren we ook jarenlang aan het wachten totdat het eindelijk raak was’, zegt hij.
‘Dat is het lullige van dit soort onderzoek: zelfs duizend jaar is op kosmische schaal niet erg lang, maar voor een enkel mens al volkomen onoverbrugbaar.’ De deeltjes waarmee IMAP de heliosfeer in kaart brengt, reizen gedurende jaren door het zonnestelsel. ‘Wie meer wil leren over de heliosfeer, moet dus bovenal veel geduld hebben.’
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant