Grens zonnestelsel nauwkeuriger bepaald

Waar ligt de grens van ons zonnestelsel? Gaat men uit van de baan van de buitenste planeet (Pluto), dan vindt men een afstand van slechts 40 astronomische eenheden: 40 maal de afstand aarde-zon. Gaat men uit van de wolk van kometen die nog min of meer via de zwaartekracht aan de zon is gebonden, dan vindt men tienduizenden astronomische eenheden (AE). Zwaartekracht is kennelijk geen handig criterium voor het definiëren van de grens van het zonnestelsel. Liever neemt men daarom de afstand waarop de zonnewind zich nog doet gelden.

De zonnewind bestaat uit elektrisch geladen deeltjes die in alle richtingen door de zon worden uitgezonden. Deze wind, die een snelheid van vele honderden kilometers per seconde heeft, vervormt het magnetische veld van planeten en geeft kometen hun indrukwekkende, altijd van de zon af gerichte staart. Op een bepaalde afstand wordt de zonnewind tegengehouden door de "druk' van het gas in de interstellaire ruimte. Op die afstand ontstaat een soort schokfront en eindigt de invloedssfeer van de zon: de heliosfeer.

Druppelvorm

Had de zon géén snelheid ten opzichte van het interstellaire gas, dan was de heliosfeer min of meer bolvormig. De zon ploegt echter met een zekere snelheid door dit gas heen. Daardoor is de tegendruk van het interstellaire gas in de bewegingsrichting van de zon groter dan in andere richtingen. Men neemt aan dat de heliosfeer hierdoor een soort druppelvorm heeft, net zoals de magnetosfeer van de aarde.

Theoretische schattingen over de grens van de heliosfeer in de bewegingsrichting van de zon, de heliopauze, liepen vroeger sterk uiteen: van 50 astronomische eenheden (iets voorbij de baan van Pluto) tot 500 AE. Waarnemingen van de Pioneers en Voyagers wezen in de afgelopen paar jaar echter op een bovengrens rond 100 AE. Deze Amerikaanse ruimtesondes bestudeerden in de jaren tachtig de planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus en zijn nu bezig het zonnestelsel te verlaten.

De vier ruimtescheepjes meten onder andere de intensiteit van de kosmische straling. Deze bestaat uit deeltjes die uit alle richtingen van het heelal komen, maar waarvan alleen de meest energierijke in de heliosfeer weten door te dringen. De zwakkere worden door de zonnewind weggeblazen. De Pioneers en Voyagers meten bij toenemende afstand tot de zon een steeds sterker wordende straling. Op grond van deze toename heeft men afgeleid dat de heliopauze zich op afstanden tussen ruwweg 50 en 100 AE van de zon moet bevinden.

Zwakke radiostraling

Dank zij de Voyagers is nog een andere afstandsbepaling mogelijk. Vorig jaar juli begonnen deze sondes een zwakke radiostraling in het frequentiegebied van 2 tot 3 kilohertz waar te nemen. De intensiteit bereikte een maximum in december en nam daarna langzaam af. Volgens de onderzoekers van het Voyager-team was deze straling niet afkomstig van een planeet, maar ontstond zij door processen in de heliopauze.

Dertien maanden eerder hadden zich op de zon uitbarstingen voorgedaan, waarbij extra hoeveelheden geladen deeltjes de ruimte in werden gezonden. Toen die uiteindelijk de heliopauze bereikten, brachten ze daar elektronen in trilling, die radiostraling produceerden. De zeer langgolvige (100 tot 150 km) straling is niet op aarde waarneembaar, omdat ze door de zonnewind wordt tegengehouden.

Uit het tijdsverschil tussen de uitbarstingen op de zon en de detectie van radiostraling leiden de onderzoekers af dat de heliopauze ergens tussen de 126 en 169 AE van de zon moet liggen. Dat is echter een bovengrens. Houdt men rekening met het feit dat de deeltjes van de zonnewind al vóór het bereiken van de heliopauze worden afgeremd, dan vindt men een grens op 80 tot 130 AE (Science 260, p. 1591).

Deze afstandsbepaling is met enig tamtam naar buiten gebracht, maar feit is dat zulke radiostraling al eerder, in 1983 en 1984, door de Voyagers is waargenomen. Ook toen werd als oorzaak daarvan de heliopauze genoemd, waarvoor een afstand van 46 AE werd gesuggereerd. Later kwamen twee astronomen van het Instituut voor Ruimteonderzoek in Warschau op een afstand van 60 tot 100 AE (Nature 344, p. 640).

Constante wind

Een andere recente waarneming is afkomstig van de Europese ruimtesonde Ulysses, die straks onderzoek gaat doen boven de poolgebieden van de zon. Deze ruimtesonde heeft de snelheid bepaald van neutrale heliumatomen die door het zonnestelsel bewegen. Deze atomen komen uit de interstellaire ruimte en dringen ongehinderd de heliosfeer binnnen: er waait dus een constante wind van heliumatomen door het zonnestelsel heen. Volgens de metingen van Ulysses bedraagt die windsnelheid 26 km per seconde.

Door het zonnestelsel bewegen ook neutrale waterstofatomen, eveneens afkomstig uit de interstellaire ruimte. Zij komen met dezelfde snelheid als de heliumatomen op de zon af, maar worden in de heliopauze afgeremd. Uit recente metingen met de Hubble-ruimtetelescoop blijkt dat deze atomen in het zonnestelsel een snelheid van 20 km per seconde hebben. Hun afremming (6 km/s) hangt op een ingewikkelde manier samen met de dichtheid van het interstellaire plasma en daaruit hebben astronomen nu afgeleid dat de heliopauze op een afstand van hooguit 100 AE van de zon ligt (Science 260, p. 1097).

De meest recente waarnemingen doen dus vermoeden dat de heliopauze op een afstand van rond de 100 AE ligt. Of dit ook werkelijk zo is zal pas kunnen worden gezegd wanneer die grens daadwerkelijk door een ruimtesonde wordt gepasseerd. Op dat moment zal de nu gemeten zonnewind vervangen worden door een interstellaire wind, die met een andere snelheid uit een andere hoek waait en een andere temperatuur en samenstelling heeft. En de intensiteit van de kosmische straling zal dan verder constant blijven.

Pioneer 10 en 11 zullen vóór het einde van deze eeuw zonder energie komen te zitten, maar de beide Voyagers hebben wellicht nog voldoende voor zo'n 25 jaar. Ze bevinden zich nu op respectievelijk 52 en 40 AE van de zon en over 25 jaar op 140 en 115 AE. Als ze verder intact blijven, is er dus een goede kans dat deze twee ruimtescheepjes uiteindelijk met het verlossende antwoord zullen komen. Men moet er echter rekening mee houden dat de heliopauze geen scherpe grens is, maar misschien pas in de loop van vele jaren wordt gepasseerd.