مهندسی بی‌نهایت: دوقلوهای وویجر؛ کاوشگران آسمان‌ها تا بی‌نهایت
اگر ستارگان بخت در یک راستا قرار نمی‌گرفتند، دو عدد از شگفت‌ترین فضاپیماهایی که تاکنون پرتاب شده‌اند، از روی زمین بلند نمی‌شدند. در این مورد، ستارگان بخت درواقع سیاره یا به عبارت دقیق‌تر، چهار سیاره‌ی بزرگ منظومه شمسی بودند. تقریباً ۶۰ سال پیش، این چهار سیاره به آرامی درحال رفتن به موقعیت ویژه‌ای بودند که آخرین بار در دوران سلطنت فتحعلی‌شاه قاجار در سال‌های اولیه‌ی قرن ۱۹ میلادی، در آن قرار داشتند. برای مدتی، این صف‌آرایی نادر سیاره‌ای تا حد زیادی نادیده گرفته شد. نخستین کسی که به این موضوع توجه کرد، یک دانشجوی دکترای هوانوردی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) به نام گری فلاندرو بود.
داستان به سال ۱۹۶۵ و سال‌های اولیه‌ی عصر اکتشافات فضایی بازمی‌گردد؛ زمانی که اتحاد جماهیر شوروی، نخستین ماهواره‌ی جهان به نام اسپوتنیک ۱ را تازه هشت سال قبل پرتاب کرده بود. فلاندرو که به صورت پاره‌وقت در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا (JPL) در پاسادنا کالیفرنیا کار می‌کرد، وظیفه‌ی یافتن کارآمدترین روش برای ارسال یک کاوشگر فضایی به سیاره مشتری یا شاید حتی سیاره زحل، اورانوس یا نپتون را برعهده گرفته بود. او با استفاده از ابزار دقیق مورد علاقه‌ی مهندسان قرن بیستم یعنی مداد، مسیرهای مداری آن سیاره‌های غول‌پیکر را ترسیم کرد و به نکته‌ای جالب پی برد: در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰ و اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰، هر چهار غول منظومه شمسی مانند مرواریدهای روی گردنبندی آسمانی در قوسی بلند با زمین به صف خواهند شد.
این هماهنگی سیاره‌ها بدان معنی بود که یک فضاپیما می‌تواند به واسطه‌ی کشش گرانشی هر سیاره‌ی غول‌پیکری که از کنارش گذر می‌کند، سرعت خود را افزایش دهد؛ گویی به‌وسیله‌ی ریسمانی نامرئی که در واپسین ثانیه پاره می‌شود و کاوشگر را در مسیرش پرتاب می‌کند، کشیده می‌شود. فلاندرو محاسبه کرد که این کمک‌های گرانشی مکرر، زمان پرواز بین زمین و نپتون را از ۳۰ سال به ۱۲ سال کاهش می‌دهند. فقط یک مشکل وجود داشت: هم‌ترازی سیاره‌ها فقط هر ۱۷۶ سال یک‌بار رخ می‌دهد. فضاپیما برای رسیدن به سیاره‌ها درحالی‌که صف‌آرایی همچنان پابرجا است، باید تا اواسط دهه‌ی ۱۹۷۰ پرتاب می‌شد.
وویجر ۲ تحت آزمایش در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا پیش از پرواز (چپ). فضاپیما در ۲۰ اوت ۱۹۷۷ پرتاب شد (راست).
همان‌طور که می‌دانیم، ناسا دو فضاپیما ساخت تا از این فرصت تکرارنشدنی بهره بگیرد. وویجر ۱ و وویجر ۲ که دقیقاً مشابه هم هستند، با فاصله‌ی ۱۵ روز از یکدیگر در تابستان ۱۹۷۷ پرتاب شدند. پس از گذشت نزدیک به ۴۵ سال در فضا، آن‌ها هنوز درحال کار هستند و روزانه از فراتر از دورترین سیاره‌های شناخته‌شده‌ی منظومه شمسی، اطلاعات به زمین ارسال می‌کنند. وویجرها بیشتر از هر فضاپیمای دیگر در تاریخ سفر کرده و دوام آورده‌اند و با توجه به درک ما از مرز بین قلمرو خورشید و سایر نواحی کهکشان، به فضای میان‌ستاره‌ای وارد شده‌اند. با درنظرگرفتن اینکه مأموریت‌های وویجر دراصل قرار بود فقط چهار سال طول بکشند، این مدت طولانی از فعالیت رکوردی شگفت‌انگیز محسوب می‌شود.
هم‌ترازی نادر غول‌های منظومه شمسی، فرصتی تکرارنشدنی را برای بازدید از تمام آن‌ها در یک مأموریت فراهم کرد
وویجرها در اوایل سفر خود در چهار دهه پیش، نخستین نماهای نزدیک از قمرهای مشتری و زحل را به پژوهشگران شگفت‌زده نشان دادند و وجود آتشفشان‌های فعال و میدان‌های یخی شکاف‌دار را در جهان‌هایی آشکار کردند که اخترشناسان فکر می‌کردند مانند قمر خودمان، بی‌جان و مملو از دهانه‌های برخوردی هستند. سال ۱۹۸۶، وویجر ۲ به نخستین فضاپیمایی تبدیل شد که از کنار اورانوس می‌گذرد. فضاپیما سه سال بعد، با نپتون ملاقات کرد و تا به امروز تنها کاوشگری محسوب می‌شود که چنین سفرهایی انجام داده است. اکنون، وویجرها به‌عنوان کاوشگرهای میان‌ستاره‌ای پیشگام با فاصله‌ی بیش از ۱۹ میلیارد کیلومتر از زمین، نظریه‌پردازان را با مجموعه‌ای از اکتشافات غیرمنتظره درباره‌ی آن منطقه‌ی ناشناخته، هم‌زمان خوشحال و سردرگم می‌کنند.
ماجراجویی طولانی کاوشگران وویجرها سرانجام رو به پایان است. درطول سه سال گذشته، ناسا گرمکن‌ها و دیگر اجزای غیرضروری را خاموش و سوخت باقی‌مانده‌ی فضاپیماها را برای تمدید سفر بی‌سابقه‌ی آن‌ها تا حوالی سال ۲۰۳۰ ذخیره کرده است. برای دانشمندانی که اغلبشان از زمان آغاز به کار وویجرها روی مأموریت آن‌ها کار کرده‌اند، پایان فعالیت فضاپیماها زمانی تلخ و شیرین است. آن‌ها اکنون با پایان پروژه‌ای روبه‌رو هستند که بسیار فراتر از انتظارات همگی‌شان بود.
رالف مک‌نات، فیزیکدان آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جانز هاپکینز که بخش اعظم زندگی‌اش را وقف وویجرها کرده است، می‌گوید: «ما در ۴۴ و نیم سالگی [مأموریت] هستیم؛ درنتیجه ۱۰ برابر مدت تضمین‌شده دوام آورده‌ایم.»
تور بزرگ
ستارگان بخت ممکن است کمک‌کننده بوده باشند، اما در ابتدا کنگره همکاری نکرد. پس از گزارش فلاندرو، ناسا برنامه‌هایی را برای مأموریتی به نام «تور بزرگ» طراحی کرد که چهار کاوشگر را به چهار سیاره‌ی غول‌پیکر و پلوتو می‌فرستاد. اما چنین پروژه‌ای بلندپروازانه و گران بود و به‌همین دلیل، کنگره آن را رد کرد. لیندا اسپیلکر، دانشمند سیاره‌شناس در آزمایشگاه پیش‌رانش جت که در سال ۱۹۷۷، چند ماه پیش از پرتاب وویجرها، کار روی آن‌ها را آغاز کرد، می‌گوید: «این چشم‌انداز واقعاً بزرگ، وجود داشت و به دلیل هزینه، از ابعاد آن کاسته شد.»
کنگره درنهایت نسخه‌ای کوچک‌شده از تور بزرگ را که در ابتدا مارینر ژوپیتر ساترن ۱۹۷۷ (MJS 77) نامیده می‌شد، تصویب کرد. در برنامه‌ی جدید قرار شد دو فضاپیما فقط به دو سیاره فرستاده شوند. بااین‌حال، مهندسان ناسا به‌طور نسبتاً محرمانه سراغ طراحی فضاپیماهایی رفتند که قادر به مقاومت دربرابر سختی‌های مأموریتی بسیار طولانی‌تر باشند. آن‌ها امیدوار بودند که وقتی این کاوشگرهای دوقلو خود را اثبات کنند، برنامه‌ی سفرشان تا اورانوس، نپتون و فراتر از آن تمدید خواهد شد.
سوزان داد که پس از ۲۰ سال جدایی از تیم وویجر، در سال ۲۰۱۰ به‌عنوان مدیر پروژه بازگشت، می‌گوید: «چهار سال، مدت زمان مأموریت اولیه بود. اما اگر مهندس پروژه می‌توانست قطعه‌ای ۱۰ درصد گران‌تر را که برای مأموریت چهار ساله مورد نیاز نبود، انتخاب کند، این کار را انجام می‌داد و لزوما به اطلاع مدیریت نمی‌رساند.» او افزود این حقیقت که دانشمندان توانستند دو فضاپیما بسازند و هردو هنوز کار می‌کنند، دستاوردی به مراتب چشمگیرتر است.
ساخت وویجرها از منظر مهندسی و ناوبری در اعماق فضا، ورود به قلمرویی کاملاً تازه بود. شعار «شکست یک گزینه نیست» هنوز ابداع نشده بود و در آن زمان چندان مناسب محسوب نمی‌شد. در اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰، ناسا تلاش کرد تا مجموعه‌ای از فضاپیماها را با هدف بررسی محوطه‌های فرود برای مأموریت‌های سرنشین‌دار آتی به ماه بفرستد. پس از ۱۲ شکست، سرانجام یکی از این تلاش‌ها با موفقیت همراه شد.
ساخت وویجرها از منظر مهندسی و ناوبری در اعماق فضا، ورود به قلمرویی کاملاً تازه بود
دونالد گرنت می‌گوید: «در آن روزها ما همیشه دو فضاپیما پرتاب می‌کردیم»، زیرا نرخ شکست بسیار بالا بود. گرنت، فیزیکدان دانشگاه آیووا، یکی از دانشمندان اصلی تیم وویجر و از اعضای کارکشته‌ی ۴۰ مأموریت فضایی دیگر بود که چند هفته بعد از انجام مصاحبه برای این مقاله، در ژانویه امسال از دنیا رفت. کریستینا، دختر گرنت در مراسم ترحیمش گفت تنها افسوس وی این بود که برای دیدن داده‌های وویجر در ۱۰ سال آینده، زنده نخواهد بود.
زمانی که وویجرها ساخته می‌شدند، فقط یک فضاپیما از کمک گرانشی برای رسیدن به سیاره‌ای دیگر استفاده کرده بود: کاوشگر مارینر ۱۰ که در مسیر رسیدن به عطارد، از کشش گرانشی زهره بهره گرفت. اما وویجرها باید کمک‌های گرانشی متعدد با حاشیه‌ی خطا در چند ده دقیقه می‌گرفتند. مشتری، نخستین ایستگاه آن‌ها درمقایسه با عطارد تقریباً ۱۰ برابر از زمین دورتر بود. علاوه‌براین، وویجرها باید در طول مسیر از میان کمربند سیارکی سفر می‌کردند. مک‌نات می‌گوید پیش از وویجرها، به‌شدت دراین‌باره بحث می‌شد که آیا فضاپیما می‌تواند «بدون متلاشی‌شدن» از کمربند سیارکی عبور کند. بااین‌حال در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰، وقتی پایونیر ۱۰ و ۱۱ به سلامت از میان این منطقه پرواز کردند، معلوم شد کمربند سیارکی عمدتا شامل فضای خالی است و مسیر برای وویجرها هموار شد.
ازآنجاکه ممکن است تمدنی بیگانه فضاپیماها را رهگیری کند، هر وویجر دیسکی طلایی (چپ) از آواها و نگاره‌های زمینی را حمل می‌کند. مهندسان درپوش دیسک وویجر ۱ را پیش از پرتاب آن نصب می‌کنند (راست).
برای مقابله با تمام این چالش‌ها، وویجرها که هرکدام به اندازه یک فولکس قورباغه‌ای قدیمی هستند، باید از درجاتی هوش داخلی بهره‌مند می‌شدند. درنتیجه مهندسان ناسا کامپیوترهای فضایپما را به ۶۹ کیلوبایت حافظه که کمتر از صدهزارم ظرفیت گوشی‌های هوشمند معمولی است، مجهز کردند. درواقع، مقایسه با گوشی‌های هوشمند چندان درست نیست. اسپیلکر می‌گوید: «کامپیوترهای وویجر درمقایسه با کلیدی که در خودرو شما را باز می‌کند، حافظه‌ی کمتری دارند.» تمام داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌وسیله ابزارهای فضاپیما روی دستگاه‌های ضبط ۸ مسیره ذخیره و سپس با فرستنده‌ای ۲۳ واتی (از نظر توان تقریباً هم‌سطح لامپ یخچال) به زمین ارسال می‌شوند. برای جبران فرستنده‌ی ضعیف، هر دو فضاپیمای وویجر حامل آنتن‌های بشقابی به قطر تقریباً ۳٫۵ متر هستند تا سیگنال‌ها را ارسال و دریافت کنند.
آلن کامینگز، فیزیکدان در مؤسسه فناوری کالیفرنیا و دیگر دانشمند کهنه‌کار وویجر می‌گوید: «در آن زمان احساس می‌شد که در نوک قله‌ی فناوری هستیم. نکته‌ی شگفت‌انگیز این بود که چقدر همه چیز سریع اتفاق افتاد. ظرف مدت چهار سال، تیم MJS 77 سه فضاپیما ازجمله یک مدل آزمایشی تمام‌اندازه و کاربردی ساخت. فضاپیماهای اصلی چند ماه پیش از پرتاب، به وویجر ۱ و وویجر ۲ تغییر نام داده شدند.
هرچند دانشمندان بسیاری در طول دهه‌ها روی وویجر کار کرده‌اند، کامینگز می‌تواند ادعایی منحصربه‌فرد داشته باشد. او می‌گوید: «من آخرین کسی بودم که فضاپیما را پیش از پرتاب لمس کردم.» کامینگز مسئولیت ساخت دو آشکارسازی را برعهده داشت که برای اندازه‌گیری شار الکترون‌ها و دیگر ذرات باردار هنگام رویارویی وویجرها با سیاره‌های غول‌پیکر طراحی شده‌اند. ذرات از پنجره‌ای کوچک در هر آشکارساز که از فویل آلومینیومی با ضخامت فقط سه میکرون تشکیل شده است، عبور می‌کنند. کامینگز نگران بود که تکنیسین‌هایی که روی فضاپیما کار می‌کنند، ممکن است به‌طور اتفاقی به پنجره‌ها آسیب زده باشند. او می‌گوید: «درنتیجه آن‌ها باید درست پیش از پرتاب بازبینی می‌شدند. درواقع پی بردم که یکی از پنجره‌ها کمی شل شده بود.»
منبع: ساینتیفیک امریکن.
ملاقات با غول‌های منظومه شمسی
وویجر ا در مارس ۱۹۷۹، ۵۴۹ روز پس از پرتاب به مشتری رسید. کاوشگر وویجر ۲ با پیروی از مسیری متفاوت در ژو‌ئیه همان سال به نخستین ایستگاه وارد شد. هر دو فضاپیما به‌گونه‌ای طراحی شدند که سکویی‌های ثابت برای دوربین‌های ویدیکون خود باشند؛ نوعی ابزار عکس‌برداری که از فیلترهای قرمز، سبز و آبی برای تولید تصاویر تمام‌رنگی استفاده می‌کند. این دوربین‌ها حین حرکت بسیار سریع در فضا به سختی می‌چرخند تا خطر تارشدن تصاویر به حداقل برسد. درواقع، حرکت چرخشی آن‌ها بیش از ۱۵ برابر کندتر از خزیدن عقربه ساعت‌شمار است. فضاپیماها درحالی‌که هنوز تقریباً سه یا چهار ماه تا رسیدن به مشتری فاصله داشتند، ارسال نخستین تصاویر از این سیاره را به زمین آغاز کردند و جمعیت ایستاده در آزمایشگاه پیش‌رانش جت، نظاره‌گر آن‌ها شد.
اسپیلکر می‌گوید: «در تمام اتاق‌های کنفرانس اصلی و در راهروها، مانیتور نصب کرده بودند. درنتیجه وقتی داده‌ها خط به خط از راه می‌رسیدند، هر تصویر روی یک مانیتور ظاهر می‌شد. چشم به راهی و انتظار فزاینده برای چیزی که قرار بود ببینیم، وقتی واقعاً به آن نزدیک شدیم، بی‌اندازه هیجان‌انگیز بود.»
وویجرها تنوع هیجان‌انگیزی از مناظر قمری را در اطراف مشتری و زحل کشف کردند
کامینگز به‌وضوح روزی را به یاد می‌آورد که برای نخستین‌بار به آیو، سومین قمر بزرگ مشتری نگاه انداخت. او می‌گوید: «داشتم به ساختمانی در پردیس کلتک می‌رفتم؛ جایی که پخش زنده [تصاویر وویجر] را نشان می‌دادند. وارد ساختمان شدم و تصویر بزرگ نارنجی و سیاه آیو را دیدم. فکر کردم دانشجویان کلتک شوخی کرده‌اند و این تصویر پیتزایی بی‌کیفیت است.» ظاهر رنگارنگ آیو کاملاً غیرمنتظره بود. پیش از آنکه وویجر تصویر آیو را ثبت کند، فرض بر این بود که تمام قمرهای منظومه شمسی کمابیش شبیه هم، یکنواخت و دهانه‌دار هستند. هیچ‌کس انتظار نداشت که وویجرها چنین تنوع هیجان‌انگیزی از مناظر قمری را در اطراف مشتری و زحل کشف کنند.
نخستین سرنخ از اینکه ممکن است قمرهای موجود در آسمان متنوع‌تر از حد تصور اخترشناسان باشند، زمانی به‌دست آمد که وویجرها هنوز تقریباً ۱٫۵ میلیون کیلومتر از مشتری فاصله داشتند. یکی از ابزارهای فضاپیماها به نام سامانه آشکارساز ذرات باردار کم‌انرژی (LECP)، سیگنال‌های غیرمعمولی دریافت کرد. استاماتیوس کریمیگیس، طراح LECP و مدیر سابق واحد فضا در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جانز هاپیکنز، می‌گوید: «ما دیدیم که یون‌های اکسیژن و گوگرد به آشکارساز برخورد می‌کنند. تراکم یون‌های اکسیژن و گوگرد در مقایسه با سطوح اندازه‌گیری‌شده تا آن نقطه، هزار برابر افزایش یافته بود.» درابتدا تیم او فکر کرد ابزار دچار نقص شده است. کریمیگیس گفت: «ما داده‌ها را زیر و رو کردیم؛ اما هیچ مشکلی وجود نداشت.»
دوربین‌های وویجر خیلی زود معما را حل کردند: آیو آتشفشان‌های فعال داشت. این جهان کوچک که کمی بزرگ‌تر از ماه زمین است، اکنون به‌عنوان فعال‌ترین جرم آتشفشانی در منظومه شمسی شناخته می‌شود. ادوارد استون که از سال ۱۹۷۲ دانشمند پروژه در مأموریت‌های وویجر بوده است، می‌گوید: «تنها آتشفشان‌های فعالی که در آن زمان می‌شناختیم، روی زمین بودند و ناگهان قمری را دیدیم که ۱۰ برابر بیش از زمین فعالیت آتشفشانی داشت.» رنگ‌های آیو و یون‌های غیرعادی که به آشکارساز کریمیگیس برخورد کردند، از عناصر منفجرشده از آتشفشان‌های این قمر می‌آمدند. بزرگ‌ترین آتشفشان آیو معروف به پله، ۳۰ برابر ارتفاع کوه اورست فوران کرده و بقایای آن، ناحیه‌ای تقریباً به وسعت فرانسه را پوشانده است.
دوقلوهای وویجر با سیاره‌های غول‌پیکر منظومه شمسی بازدید مفصلی انجام دادند و با پرواز از کنار مشتری (۱ و ۲) و زحل (۵ و ۶)، نخستین نماهای نزدیک از قمرهای آن سیاره‌ها را ثبت کردند. به‌عنوان مثال معلوم شد که اروپا، قمر مشتری (۳) با یخ پوشیده شده و آیو (۴) مملو از آتشفشان‌ها است. این اکتشافات برای دانشمندانی که فکر می‌کردند قمرهای سایر سیاره‌ها نیز مانند ماه زمین، جهان‌هایی خاکستری و پر از دهانه هستند، غافلگیرکننده بود. وویجر ۲ سپس از کنار اورانوس (۷) و نپتون (۸) گذر کرد و به تنها کاوشگری تبدیل شد که تاکنون از این دو غول یخی بازدید کرده است.
درمجموع وویجرها بیش از ۳۳ هزار عکس از مشتری و قمرهای آن گرفتند. به‌نظر می‌رسید که هر تصویر یک کشف جدید به همراه داشت: مشتری حلقه دارد و اروپا، یکی از ۵۳ قمر نام‌گذاری‌شده‌ی مشتری با پوسته‌ی یخی ترک‌خورده‌ای پوشیده شده است که اکنون تخمین زده می‌شود بیش از ۹۵ کیلومتر ضخامت داشته باشد. وقتی فضاپیماها از منظومه مشتری خارج شد، با دریافت کمک گرانشی، تقریباً ۱۶ کیلومتر بر ثانیه به سرعت خود افزودند. بدون این کمک، آن‌ها نمی‌توانستند بر کشش گرانشی خورشید غلبه کنند و به فضای میان‌ستاره‌ای برسند.
پس از بازدید از زحل، وویجر ۱ از صفحه منظومه شمسی خارج شد و وویجر ۲ به‌تنهایی تا اورانوس و نپتون سفر کرد
در زحل، وویجرها از هم جدا شدند. وویجر ۱ از میان حلقه‌های زحل پرواز و با هزاران دانه گردوغبار برخورد کرد، به سمت تیتان، قمر پوشیده در دود نارنجی رفت و سپس رهسپار شمال صفحه‌ی سیاره‌ها شد. وویجر ۲ سفر خود را به‌تنهایی تا اورانوس و نپتون ادامه داد. در سال ۱۹۸۶، وویجر ۲ ده قمر جدید را در اطراف اورانوس پیدا کرد و این سیاره را به فهرست رو به رشد جهان‌های حلقه‌دار افزود. بااین‌حال تنها چهار روز پس از بیش‌ترین نزدیکی وویجر ۲ به اورانوس، اکتشافات آن زیر سایه‌ی سانحه‌ی انفجار شاتل فضایی چلنجر قرار گرفت. انفجار این فضاپیما اندکی پس از پرتاب، تمام هفت خدمه‌ی آن ازجمله کریستا مک‌اولیف ، معلم دبیرستان اهل نیوهمپشایر را که قرار بود نخستین فضانورد غیرنظامی باشد، به کام مرگ کشاند.
سه سال بعد، وویجر ۲ با عبور از ۴۸۰۰ کیلومتری فراز جو لاجوردی حاوی متان نپتون، بالاترین سرعت باد را در بین سیاره‌های منظومه شمسی اندازه‌گیری کرد: تا ۱۶۰۰ کیلومتر بر ساعت. معلوم شد که تریتون، بزرگ‌ترین قمر نپتون با دمای سطحی منفی ۲۳۵ درجه سانتی‌گراد، یکی از سردترین مکان‌ها در منظومه شمسی است. یخفشان‌های روی این قمر، گاز نیتروژن و ذرات پودری را تا ارتفاع ۸ کیلومتر به درون جو پرتاب می‌کردند.
اگر کارل سیگن، اخترشناس مشهور، یکی از اعضای تیم تصویربرداری مأموریت نبود، شاید عکس‌های وویجر ۲ از نپتون و قمرهایش به آخرین تصاویر ثبت‌شده با وویجرها تبدیل می‌شدند. با اتمام رسمی تور بزرگ، ناسا تصمیم گرفت دوربین‌های روی هر دو کاوشگر را خاموش کند. هرچند مأموریت با امید رسیدن وویجرها به فضای میان‌ستاره‌ای تمدید شد (برنامه به‌طور رسمی به مأموریت میان‌ستاره‌ای وویجر تغییر نام یافت)، پس از نپتون هیچ هدفی برای عکس‌برداری دردسترس نخواهد بود و فقط فضای خالی بی‌کران و ستارگان بسیار دوردست وجود خواهند داشت.
کشف آتشفشان پله که در این تصویر از وویجر ۱ نشان داده شده، تأیید کرد که آیو، قمر مشتری میزبان فعالیت آتشفشانی است.
سیگن از مقام‌های ناسا خواست تا وویجر ۱ آخرین مجموعه تصاویرش را به زمین ارسال کند. درنتیجه، در روز ولنتاین سال ۱۹۹۰، کاوشگر دوربین‌هایش را به سمت منظومه شمسی داخلی نشانه گرفت و ۶۰ تصویر نهایی ثبت کرد. تاثربرانگیزترین عکس از بین تمام آن‌ها که از سوی سیگن «نقطه آبی کم‌رنگ» نامیده شد، زمین را از فاصله بیش از ۶ میلیارد کیلومتری به تصویر کشید. این عکس همچنان دورترین پرتره‌ی ثبت‌شده تاکنون از سیاره ما محسوب می‌شود. زمین پوشیده در نوری که از اپتیک دوربین بازتابیده می‌شود، به سختی قابل مشاهده است و حتی یک پیکسل کامل را هم اشغال نمی‌کند.
اسپیلکر می‌گوید سیگن که در سال ۱۹۹۶ از دنیا رفت، به سختی تلاش کرد تا ناسا را متقاعد کند که ارزش دارد به خودمان نگاه کنیم و ببینیم آن نقطه آبی کم‌رنگ چقدر کوچک است.
خروج از قلمرو خورشید
هر دو وویجر اکنون آنقدر از زمین دور هستند که رسیدن سیگنال رادیویی یک‌طرفه که با سرعت نور حرکت می‌کند، به وویجر ۱ تقریباً ۲۲ ساعت و به وویجر ۲ کمی بیش از ۱۸ ساعت طول می‌کشد. فضاپیماها هر روز سه تا چهار ثانیه‌ی نوری دیگر از زمین دور می‌شوند. تنها راه ارتباطی آن‌ها با زمین، شبکه فضای دوردست ناسا است؛ مجموعه‌ای از آنتن‌ها در سرتاسر زمین که ارتباط بدون وقفه با فضاپیما را در حین چرخش سیاره امکان‌پذیر می‌کنند. هرچه وویجرها در فضا و زمان از ما دورتر می‌شوند، سیگنال‌هایشان رو به ضعف می‌رود. گلن ناگل، مدیر توسعه و ارتباطات در تأسیسات شبکه فضای دوردست در کانبرا استرالیا می‌گوید: «زمین مکانی مملو از نویز است. رادیو، تلویزیون، تلفن‌های همراه، همگی نویز ایجاد می‌کنند. درنتیجه شنیدن پچ‌پچ‌های ضعیف فضاپیما سخت‌تر و سخت‌تر می‌شود.
همان‌طور که این پچ‌پچ‌ها ضعیف می‌شوند، انتظارات اخترشناسان از آنچه وویجرها هنگام ورود به مرحله‌ی میان‌ستاره‌ای مأموریت کشف خواهند کرد، تغییر می‌کند. استون و سایر دانشمندان وویجر هشدار می‌دهند که نباید مرز فضای میان‌ستاره‌ای را با مرز منظومه شمسی یکی بگیریم. منظومه شمسی شامل ابر دوردست اورت است؛ مجموعه‌ای کروی از اجرام دنباله‌دارمانند که در دام گرانش خورشید افتاده‌اند و ممکن است مدارشان تا نزدیک‌ترین ستاره کشیده شده باشد. وویجرها تا دست‌کم ۳۰۰ سال دیگر به مرز درونی این محدوده نخواهند رسید. بااین‌حال فضای میان‌ستاره‌ای بسیار نزدیک‌تر است و از جایی شروع می‌شود که پدیده‌ای به نام باد خورشیدی به پایان می‌رسد.
منبع: ساینتیفیک امریکن.
خورشید مانند تمام ستارگان، جریان ثابتی از ذرات باردار و میدان‌های مغناطیسی به نام باد خورشیدی از خود ساطع می‌کند. این باد که با سرعت مافوق‌صوت حرکت می‌کند، مانند بالونی درحال بادشدن از خورشید خارج می‌شود و ناحیه‌ای از فضا را تشکیل می‌دهد که اخترشناسان هلیوسفر می‌نامند. همان‌طور که باد خورشیدی در فضا می‌وزد، میدان مغناطیسی خورشید را به همراه خود می‌کشاند. درنهایت، فشار ناشی از ماده میان‌ستاره‌ای، از انبساط هلیوسفر جلوگیری می‌کند و در امتداد محدوده‌ای عظیم به نام «منطقه ضربه خروجی»، مرزی را با محیط میان‌ستاره‌ای به‌وجود می‌آورد. پیش از سفر وویجرها، تخمین‌ها از فاصله تا مرز هلیوسفر با فضای میان‌ستاره‌ای که به هلیوپاز (منطقه توقف خورشیدی) معروف است، بسیار متفاوت بود.
هیچ‌کس مطمئن نبود وویجرها دقیقاً چه زمانی از قلمرو خورشید خارج خواهند شد
گرنت می‌گوید: «صادقانه بگویم، برخی از آن تخمین‌ها فقط حدس و گمان بودند.» یکی از برآوردهای اولیه، هلیوپاز را در نزدیکی مشتری قرار داد. محاسبات خود گرنت که در سال ۱۹۹۳ انجام شد، فاصله را بین ۱۱۶ تا ۱۷۷ واحد نجومی (حدود ۲۵ برابر دورتر) تعیین کرد (هر واحد نجومی با فاصله‌ی بین زمین و خورشید، یعنی ۱۵۰ میلیون کیلومتر برابر است). به‌گفته‌ی او، این اعداد چندان مورد علاقه‌ی همکارانش نبود. تا سال ۱۹۹۳، وویجر ۱ ۵۰ واحد نجومی از زمین فاصله گرفته بود. گرنت می‌گوید: «اگر [هلیوپاز] در ۱۲۰ واحد نجومی بود، پس یعنی ما ۷۰ واحد نجومی دیگر برای رسیدن به آن در پیش داشتیم.» اگر گرنت درست می‌گفت، وویجرها با سرعت تقریباً ۳٫۵ واحد نجومی در سال، دست‌کم تا دو دهه بعد از هلیوسفر خارج نمی‌شدند.
این پیش‌بینی، پرسش‌هایی نگران‌کننده را برانگیخت: آیا وویجرها یا حمایت کنگره، بدان اندازه دوام خواهند آورد؟ بودجه‌ی مأموریت با این انتظار تمدید شده بود که فضاپیماها در فاصله‌ی تقریباً ۵۰ واحد نجومی از هلیوپاز عبور خواهند کرد. اما فضاپیما بدون آنکه هیچ یک از نشانه‌های مورد انتظار گذار میان‌ستاره‌ای را پیدا کند، این نقطه‌ی عطف را پشت سر گذاشت. اخترشناسان انتظار داشتند وویجرها طغیان ناگهانی پرتوهای کیهانی کهکشانی را شناسایی کنند. این پرتوها، ذراتی پرانرژی هستند که مانند ترکش با سرعت نور از ابرنواخترها و دیگر رویدادهای فاجعه‌بار فضای دوردست شلیک می‌شوند.
تیم زمینی وویجر همچنین منتظر بود تا فضاپیما تغییری را در میدان مغناطیسی غالب ثبت کند. میدان مغناطیسی میان‌ستاره‌ای که تصور می‌شود به‌وسیله‌ی ستارگان نزدیک و ابرهای عظیم گازهای یونیزه ایجاد می‌شود، احتمالاً جهت متفاوتی از میدان مغناطیسی هلیوسفر خواهد داشت؛ اما وویجرها چنین تغییری را تشخیص نداده بودند.
معمای هلیوسفر
تخمین‌های گرنت در سال ۱۹۹۳، به نوعی پیشگویی محسوب می‌شد. تقریباً ۲۰ سال گذشت تا سرانجام یکی از وویجرها به هلیوپاز رسید. در این فاصله، مأموریت به سختی از تهدیدهای مربوط به بودجه جان سالم به در برد و تیم وویجر از صدها دانشمند و مهندس به چند ده همراه ثابت کاهش یافت. اغلب این افراد تا امروز همچنان بر سر کار هستند. اسپیلکر می‌گوید: «وقتی چنین مأموریت طولانی‌مدتی دارید، کم‌کم همکاران را مانند خانواده می‌بینید. ما تقریباً هم‌زمان بچه‌دار شدیم و با هم مرخصی می‌گرفتیم. اکنون چندین نسل را دربرمی‌گیریم و برخی از همکاران جوان‌تر در [تیم] وویجر، [زمانی که فضاپیما] پرتاب شد، حتی متولد نشده بودند.»
سرسختی و تعهد آن گروه از برادران و خواهران، در ۲۵ اوت ۲۰۱۲، زمانی که وویجر ۱ سرانجام از هلیوپاز عبور کرد، به ثمر نشست. بااین‌حال برخی از داده‌های ارسالی از فضاپیما، گیج‌کننده بود. کامینگز می‌گوید: «ما با تأخیر اعلام کردیم که به فضای میان‌ستاره‌ای رسیده‌ایم؛ زیرا نتوانستیم درباره‌ی این واقعیت به توافق برسیم. حدود یک سال، بحث‌های زیادی وجود داشت.»
هرچند وویجر ۱ واقعا جهش مورد انتظار در چگالی پلاسما را یافته بود (آشکارساز موج پلاسمای فضاپیما، ابزار طراحی‌شده به‌دست گرنت، افزایش ۸۰ برابری را استنباط کرد)، هیچ نشانه‌ای از تغییر در جهت میدان مغناطیسی محیط وجود نداشت. اگر فضاپیما از ناحیه‌ی زیر نفوذ میدان مغناطیسی خورشید، به منطقه‌ی با میدان مغناطیسی ناشی از ستارگان دیگر رفته بود، آیا این تغییر مشاهده‌پذیر نبود؟ کامینگز می‌گوید: «این موضوع شوک‌آور بود و هنوز من را آزار می‌دهد. اما بسیاری از همکاران با آن کنار آمده‌اند.»
منبع: ساینتیفیک امریکن.
وویجر ۲ نیز هنگام رسیدن به مرز فضای میان‌ستاره‌ای در نوامبر ۲۰۱۸ نتوانست تغییر میدان مغناطیسی را تشخیص دهد و یک معمای دیگر اضافه کرد: فضاپیما در فاصله‌ی ۱۲۰ واحد نجومی از زمین، با هلیوپاز مواجه شد؛ همان مسافتی که ۶ سال پیش، وویجر ۱ به‌عنوان مرز هلیوسفر مشخص کرده بود. این مسئله با هیچ کدام از مدل‌های نظری همخوانی نداشت؛ زیرا همگی آن‌ها می‌گفتند هلیوسفر باید هم‌زمان با چرخه‌ی ۱۱ ساله‌ی خورشید که درجریان آن، بادهای خورشیدی فروکش می‌کند و اوج می‌گیرد، منبسط و منقبض شود. کاوشگر وویجر ۲ زمانی به هلیوپاز رسید که باد خورشیدی درحال اوج‌گیری بود و اگر مدل‌ها درست بودند، باید هلیوپاز را به دورتر از ۱۲۰ واحد نجومی می‌راندند. کریمیگیس می‌گوید: «این اتفاق برای تمام نظریه‌پردازان غیرمنتظره بود. فکر می‌کنم مدل‌سازی‌ها، از نظر یافته‌های وویجرها به اندازه کافی دقیق نبوده‌اند.»
اکنون که وویجرها داده‌های میدانی واقعی را به نظریه‌پردازان می‌دهند، مدل‌های آن‌ها از برهم‌کنش بین هلیوسفر و محیط میان‌ستاره‌ای پیچیده‌تر می‌شوند. گری زانک، اخترفیزیکدان دانشگاه آلاباما در هانتسویل می‌گوید تصویر کلی این است که خورشید ما از منطقه‌ای داغ و یونیزه پدید آمده و به منطقه‌ای ناهمگن و تا حدی یونیزه در کهکشان وارد شده است. این منطقه‌ی داغ احتمالاً دراثر یک ابرنواختر شکل گرفت؛ رویدادی که در جریان آن، نوعی ستاره‌ی باستانی نزدیک یا شاید تعداد کمی در پایان عمرشان منفجر شدند، فضا را گرم و در این فرایند، الکترون‌ها را از اتم‌هایشان حذف کردند.
مرز اطراف آن منطقه را می‌توان مانند ساحل دریا با تمام آب‌ها و امواج درحال چرخیدن و ترکیب‌شدن در نظر گرفت. ما در آن نوع منطقه‌ی متلاطمی هستیم که میدان‌های مغناطیسی‌اش دگرگون و زیر و رو می‌شوند. این میدان‌های مغناطیسی مانند نمونه‌های یکنواختی نیستند که نظریه‌پردازان معمولاً دوست دارند ترسیم کنند؛ هرچند میزان تلاطم دیده‌شده می‌تواند بسته به نوع مشاهده متفاوت باشد. داده‌های وویجر، تغییرات میدانی اندکی را در مقیاس‌های بزرگ نشان می‌دهد: اما بسیاری از نوسانات کوچک‌مقیاس در اطراف هلیوپاز، نتیجه‌ی تأثیر هلیوسفر بر محیط میان‌ستاره‌ای هستند. تصور می‌شود که در مقطعی فضاپیما توده‌های متلاطم را پشت سر می‌گذارد و در نهایت با میدان مغناطیسی خالص میان‌ستاره‌ای مواجه می‌شود.
یا شاید تصویر توصیف‌شده کاملاً اشتباه است. گروهی از پژوهشگران معتقدند که وویجرها هنوز هلیوسفر را ترک نکرده‌اند. لنارد فیسک، دانشمند پلاسمای فضایی در دانشگاه میشیگان و مدیر سابق در ناسا می‌گوید: «هیچ دلیلی وجود ندارد که میدان‌های مغناطیسی در هلیوسفر و محیط میان‌ستاره‌ای دقیقاً جهت یکسانی داشته باشند.» در چند سال گذشته، فیسک و جورج گلوکلر، همکار او در میشیگان و دانشمند قدیمی مأموریت وویجر، روی مدلی از هلیوسفر کار کرده‌اند که مرز آن را تا ۴۰ واحد نجومی دیگر به بیرون می‌راند.
برای شناخت عمیق‌تر هلیوسفر، باید کاوشگر میان‌ستاره‌ای جدیدی پرتاب کنیم
بااین‌حال، اکثر افرادی که در این زمینه کار می‌کنند، متقاعد شده‌اند که افزایش چشمگیر پرتوهای کیهانی کهکشانی و چگالی پلاسما، به معنای خروج وویجرها از هلیوسفر است. کامینگز می‌گوید: «با توجه به این موضوع، به سختی می‌توان استدلال کرد که واقعا در فضای میان‌ستاره‌ای نیستیم. اما از طرفی، این‌طور نیست که همه چیز درست باشد. به‌همین دلیل به کاوشگری میان‌ستاره‌ای نیاز داریم.»
مک‌نات چندین دهه است که برای چنین مأموریتی تلاش می‌کند. او و همکارانش در جانز هاپکینز به‌تازگی تهیه‌ی گزارشی تقریباً ۵۰۰ صفحه‌ای را به پایان بردند که برنامه‌ها برای کاوشگری میان‌ستاره‌ای را ارائه می‌دهد. این کاوشگر که در سال ۲۰۳۶ پرتاب خواهد شد، احتمالاً می‌تواند با کم‌کردن ۲۰ سال از زمان پرواز وویجر ۱، ظرف مدت ۱۵ سال به هلیوسفر برسد. کاوشگر میان‌ستاره‌ای جدید برخلاف مأموریت‌های کاوشگر وویجر به‌طور خاص برای مطالعه‌ی مرز بیرونی هلیوسفر و اطراف آن طراحی خواهد شد. درطول دو سال آینده، آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی آمریکا تصمیم خواهد گرفت که آیا این مأموریت باید یکی از اولویت‌های ناسا در دهه‌ی آینده باشد یا خیر.
کاوشگر میان‌ستاره‌ای می‌تواند به یکی از اساسی‌ترین پرسش‌ها درباره‌ی هلیوسفر پاسخ دهد. مک‌نات می‌گوید: «اگر من از بیرون نگاه کنم، این ساختار چگونه به نظر می‌آید؟ ما واقعا نمی‌دانیم. مثل تلاش برای درک این است که تنگ از نظر ماهی قرمز چگونه به نظر می‌آید. ما [باید] بتوانیم تنگ را از بیرون ببینیم.» در برخی مدل‌ها، وقتی هلیوسفر با سرعت ۷۲۴ هزار کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، ماده میان‌ستاره‌ای مانند آب اطراف سینه‌ی کشتی، به آرامی در کنار آن به جریان می‌افتد و درمجموع به شکل دنباله‌دارمانند درمی‌آید. یکی از مدل‌های کامپیوتری اخیر که به‌دست مراو اوفر و همکارانش در دانشگاه بوستون ساخته شد، پیش‌بینی می‌کند که دینامیک متلاطم‌تر، به هلیوسفر شکلی شبیه به کروسان کیهانی می‌دهد.
برخی چیزها با وجود آنکه دیگر به کار خاصی نمی‌آیند، هنوز وجود دارند: پیام‌گیر تلفن، دستگاه‌های ضبط ویدئو، سکه‌ها. وویجرها با استفاده از فناوری ۵۰ سال پیش، به فراتر از محدودیت‌های خود رفتند. کریمیگیس می‌گوید: «مقدار نرم‌افزار روی این فضاپیماها بسیار کم است. هیچ ریزپردازنده‌ای در کار نیست، زیرا آن‌ها [نیم‌قرن پیش] وجود نداشتند.» طراحان وویجر نمی‌توانستند برای کمک به گرداندن فضاپیما، به هزاران خط کد تکیه کنند. کریمیگیس می‌گوید: «درمجموع فکر می‌کنم این مأموریت خیلی طولانی شد؛ زیرا تقریباً تمام عملکردهای فضاپیماها ثابت و بدون امکان تغییر با نرم‌افزار است. مهندسان امروزی نمی‌دانند چگونه این کار را انجام دهند. نمی‌دانم آیا ساخت چنین فضاپیمای ساده‌ای اکنون امکان‌پذیر است یا خیر. وویجر آخرین نمونه در نوع خود محسوب می‌شود.»
سفر تا بی‌نهایت
خداحافظی با وویجرهای پیشگام آسان نخواهد بود. کامینگز می‌گوید: «به‌سختی می‌توان پایان یافتن آن را دید. اما ما واقعا به چیزی شگفت‌انگیز دست یافتیم. ممکن بود هرگز به هلیوپاز نرسیم؛ اما این کار را انجام دادیم.»
وویجر ۱ و وویجر ۲ اکنون به ترتیب ۴ و ۵ ابزار فعال باقی‌مانده دارند. انرژی تمام آن‌ها به‌وسیله‌ی دستگاهی تأمین می‌شود که گرمای حاصل از واپاشی هسته‌ای پلوتونیم را به برق تبدیل می‌کند. اما با کاهش توان خروجی به تقریباً چهار وات در سال، ناسا مجبور به اولویت‌بندی نیازها شده است. دو سال پیش، مهندسان مأموریت گرمکن آشکارساز پرتو کیهانی را که در تعیین گذار از هلیوپاز بسیار مهم بود، خاموش کردند. همگان مرگ این ابزار را انتظار داشتند. اسپیلکر می‌گوید: «دما درحدود ۶۰ یا ۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش یافت که به کلی خارج از محدودیت‌های عملیاتی آزمایش‌شده بود؛ [اما] ابزار به کار خود ادامه داد. این اتفاق شگفت‌انگیز بود.»
دو ابزار آخر وویجر که خاموش می‌شوند، احتمالاً مغناطیس‌سنج و ابزار علمی پلاسما خواهند بود. آن‌ها در بدنه‌ی فضاپیما قرار دارند و در آنجا با گرمای ساطع‌شده از کامپیوترها گرم می‌شوند. سایر ابزارها روی یک بازوی فایبرگلاس ۱۳ متری آویزان شده‌اند. داد می‌گوید: «درنتیجه وقتی گرمکن‌ها را خاموش می‌کنید، آن ابزارها بسیار بسیار سرد می‌شوند.»
اما وویجرها چند سال دیگر می‌توانند دوام بیاورند؟ اسپیلکر می‌گوید: «اگر همه چیز به خوبی پیش برود، شاید بتوانیم مأموریت‌ها را تا دهه ۲۰۳۰ تمدید کنیم. این مسئله فقط به انرژی که عامل محدودکننده است، بستگی دارد.»
این تصویر از زمین از فاصله‌ی تقریباً ۶ میلیارد کیلومتری، ازجمله آخرین عکس‌های وویجر ۱ محسوب می‌شود. کارل سیگن، دانشمند وویجر آن را «نقطه آبی کم‌رنگ» نامید.
حتی پس از خاموشی کامل وویجرها، سفر آن‌ها ادامه خواهد داشت. ۱۶٬۷۰۰ سال دیگر، وویجر ۱ پروکسیما قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره همسایه ما را پشت سر خواهد گذاشت و ۳۶۰۰ سال بعد، وویجر ۲ موفق به تکرار همین دستاورد خواهد شد. آن‌ها سپس برای میلیون‌ها سال به چرخیدن به دور کهکشان ادامه خواهند داد. سال‌ها پس از آنکه خورشید ما فرو بپاشد و هلیوسفر و البته نقطه آبی کم‌رنگ دیگر وجود نداشته باشند، وویجرها همچنان کمابیش صحیح و سالم آن بیرون درحال پرسه‌زدن خواهند بود. آن‌ها ممکن است در مقطعی از سفرشان بتوانند پیامی نهایی را منتقل کنند. این پیغام ازطریق امواج رادیویی مخابره نخواهد شد و اگر دریافت شود، گیرندگان آن انسان نخواهند بود.
حتی پس از خاموشی کامل وویجرها، سفر آن‌ها ادامه خواهد داشت
پیام وویجرها روی نوع دیگری از فناوری قدیمی منتقل می‌شود: دو دیسک که البته با نسخه استاندارد پلاستیکی تفاوت دارد. این دیسک‌ها از مس ساخته و با طلا پوشانده شده‌اند و در پوششی آلومینیومی محافظت می‌شوند. در شیارهای دیسک‌های طلایی، نگاره‌ها و آواهایی وجود دارند که هدفشان دادن حس و حال جهانی است که وویجرها از آن آمده‌اند: تصاویر کودکان، دلفین‌ها، رقصندگان و غروب خورشید؛ صدای جیرجیرک، باران و مادری که فرزندش را می‌بوسد و ۹۰ دقیقه موسیقی شامل کنسرتو براندنبورگ شماره ۲ اثر باخ و جانی بی. گود اثر چاک بری.
در دیسک‌ها، پیام درود زمینی‌ها به بیگانگان به ۵۵ زبان دنیا ازجمله فارسی نیز ذخیره شده است. متن پیغام فارسی بدین شرح است: «درود بر ساکنین ماورای آسمان‌ها. بنی‌آدم اعضای یک پیکرند که در آفرینش ز یک گوهرند. چو عضوی به درد آورد روزگار، دگر عضوها را نماند قرار.» درنهایت پیغامی از جیمی کارتر، رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده وجود دارد. در بخشی از آن آمده است: «ما این پیام را به کیهان می‌فرستیم. امیدواریم روزی با حل مشکلاتی که با آن روبه‌رو هستیم، به جامعه‌ای از تمدن‌های کهکشانی بپیوندیم. این دیسک نمایانگر امید و عزم ما و حسن نیت ما در جهانی بی‌کران و شگفت‌انگیز است.»