Erkennung der Ränder des Sonnensystems: ein neues Fenster für das menschliche Verständnis des Universums

Das Sonnensystem ist ein riesiges Himmelssystem, das aus der Sonne, acht großen Planeten, fast 500 Satelliten, mehr als 1,2 Millionen Asteroiden, zahlreichen Zwergplaneten, Kometen und interplanetarem Medium unter dem Einfluss der starken Schwerkraft der Sonne besteht. Alle Himmelskörper drehen sich um die Sonne.

Diagramm des Sonnensystems

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der menschlichen Möglichkeiten zur Erforschung des Weltraums werden die Mittel zum Verständnis des Universums immer vielfältiger und der Umfang größer. Die Erforschung der Grenzen des Sonnensystems ist zu einer wichtigen Richtung menschlicher Weltraumaktivitäten geworden und eröffnet der Menschheit ein neues Fenster zum Verständnis des Universums. Wo ist die Grenze des Sonnensystems? Was ist die neue Welt jenseits der Grenzen? Welche Schwierigkeiten müssen überwunden werden, um die Grenze des Sonnensystems zu erreichen?

Wo ist die Grenze des Sonnensystems?

Im Jahr 1977 starteten die Vereinigten Staaten die Sonden Voyager 1 und 2, die sich nach Abschluss ihrer geplanten Planetenerkundungsmissionen auf den Weg zum Rand des Sonnensystems machten. Im August 2012 verließ Voyager 1 die Heliosphäre in einer Entfernung von etwa 121 AE von der Sonne (1 AE ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Sonne und Erde, 1,5 × 108 Kilometer) und etwa 19 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt und war damit die erste Sonde, die in den interstellaren Raum eindrang. Anschließend überschritt Voyager 2 die Heliopause und trat im Dezember 2018 in den interstellaren Raum ein.

Sowohl die Heliopause als auch der interstellare Raum sind Konzepte, die mit der Grenze des Sonnensystems in Zusammenhang stehen. Was bedeuten sie? Wie weit ist der Rand des Sonnensystems von uns entfernt?

Wissenschaftler haben drei Definitionen der Grenze des Sonnensystems vorgeschlagen. Die erste basiert auf der Planetenumlaufbahn, die sich von der Sonne bis zum Neptun erstreckt und deren Durchmesser etwa 30 AE beträgt, was die kleinste Grenze darstellt.

Diese Grenze ist nicht festgelegt. Im Jahr 2006 schloss die Internationale Astronomische Union Pluto aus der Planetenliste aus, was die Größe des Sonnensystems um etwa ein Drittel reduzierte. Im Jahr 2016 entdeckten Wissenschaftler abnormale Umlaufbahnen von sechs Himmelskörpern im Kuipergürtel und spekulierten, dass es dort möglicherweise einen neunten Planeten geben könnte. Sollte dieser Planet in Zukunft tatsächlich beobachtet werden, würden die Grenzen des Sonnensystems erheblich erweitert.

Die zweite Definition basiert auf der Spitze der Heliosphäre, wo auch die beiden „Reisenden“ angekommen sind.

Menschlichen Beobachtungen der Sonne und des Weltraums zufolge stößt die Sonne kontinuierlich einen Überschallstrom geladener Teilchen aus, der einen Sonnenwind bildet, der durch den Weltraum fegt. Andererseits ist das riesige Universum mit interstellaren Medien niedriger Temperatur gefüllt, beispielsweise verschiedenen Atomen, Molekülen und Staub. Der Sonnenwind verlangsamt sich allmählich, während er das interstellare Medium wegbläst, und erreicht schließlich ein Gleichgewicht. Der gesamte Prozess ist so, als würde die Sonne eine „große Blase“ aus magnetisiertem Plasma in der Milchstraße ausblasen, und diese große Blase ist die Heliosphäre.

Aufgrund der periodischen Schwankungen der Sonnenaktivität ändert sich auch die Intensität des Sonnenwindes ständig, sodass Form und Reichweite der Heliosphäre nicht festgelegt sind. Die Grenze des Sonnensystems, die durch die Heliosphäre definiert wird, liegt etwa 80 bis 150 AE von der Sonne entfernt. Voyager 1 und 2 brauchten fast 40 Jahre, um hierher zu gelangen.

Die dritte Definition basiert auf der Gravitationsreichweite der Sonne. Außerhalb der Heliosphäre gibt es noch eine Vielzahl von Himmelskörpern, die die Sonne umkreisen. Diese Grenze liegt etwa 50.000 bis 100.000 AE von der Sonne entfernt. Am weitesten entfernt ist die Oortsche Wolke, ein „großes Lagerhaus“ voller Kometen. Die Gravitationsgrenze ist die größte Grenze des Sonnensystems, die 1 Lichtjahr von der Sonne entfernt ist.

Das Sonnensystem ist riesig und zwischen dem Sonnensystem und anderen Sternensystemen befindet sich ein noch größerer interstellarer Raum, der mit vereinzelten neutralen Teilchen, Plasma, kosmischem Staub und anderer interstellarer Materie gefüllt ist. Im März 2013 stellte Voyager 1 fest, dass die Plasmadichte im umgebenden Weltraum um mehr als das 40-fache zugenommen hatte. Wissenschaftler kamen daher zu dem Schluss, dass die Sonde die Heliosphäre verlassen hatte und in den interstellaren Raum eingetreten war.

Fordern Sie das Unbekannte der Menschheit heraus und erkunden Sie die grenzenlosen Grenzen

Bis heute hat die Menschheit Tausende von Raumfahrzeugen ins All geschickt, die meisten davon umkreisen die Erde. Mehr als 100 sind aus dem Erde-Mond-System herausgeflogen, um die Sonne, andere Planeten und kleine Himmelskörper zu erkunden, und eine Handvoll hat längere Reisen bis an den Rand des Sonnensystems unternommen. Dies sind Pioneer 10, 11, Voyager 1, 2 und New Horizons.

Pioneer 10 und 11 wurden 1972 bzw. 1973 auf den Markt gebracht. Pioneer 10 durchquerte zum ersten Mal erfolgreich den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, flog an Jupiter vorbei und nutzte die Schwerkraft des Jupiters zur Beschleunigung, wodurch es 1983 aus der Umlaufbahn des Neptuns herausflog. Als die Kommunikation mit der Erde im Jahr 2003 aufgrund von Energiebeschränkungen unterbrochen wurde, hatte es sich bereits auf eine Entfernung von 80 AE von der Sonne entfernt und entfernte sich weiter vom Zentrum der Milchstraße.

Pioneer 11 flog 1974 an Jupiter vorbei und nutzte die Schwerkraft des Jupiters, um zum Saturn zu fliegen. Anschließend passierte es die Ringe des Saturn und die Umlaufbahn des Neptuns und nahm Kurs auf das Zentrum der Milchstraße. Die Verbindung zur Erde wurde 1995 abgebrochen, und der Stern ist 43 AE von der Sonne entfernt.

Mit der Erkundung der Pioniere verlief die Reise der Voyager reibungsloser. Voyager 1 besuchte nacheinander Jupiter und Saturn und führte eine detaillierte Erforschung der Saturnringe und der Atmosphäre des Titan durch. Es ist mit drei Kernbatterien ausgestattet, die die Kommunikation mit der Erde bis 2025 aufrechterhalten können, und seine Reise im interstellaren Raum wird weitere 40.000 Jahre dauern, bevor es in die nächste stellare „Blase“ eintritt.

Voyager 2 bietet ein weiteres legendäres Erlebnis. Es hatte das Glück, das Fenster der „Vier-Sterne-Tour“ zu erwischen, das alle 176 Jahre einmal stattfindet, und konnte gleichzeitig Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun im Vorbeiflug erfassen.

Die Raumsonde New Horizons wurde im neuen Jahrhundert gestartet, erreichte 2006 ihre Umlaufbahn und flog 2015 an Pluto vorbei. Sie fliegt mit einer hohen Geschwindigkeit von 3,4 AE pro Jahr und wird voraussichtlich im Jahr 2030 den Rand der Heliosphäre erreichen, was nur 24 Jahre dauern wird. Es ist die schnellste Sonde in der Geschichte der Menschheit.

Die Grenze des Sonnensystems ist extrem weit entfernt, extrem kalt und extrem dunkel. Es steckt voller Geheimnisse und Unbekanntem und stellt die Grenze der gegenwärtigen technologischen Möglichkeiten der Menschheit dar. Auch die Grenze des Sonnensystems birgt wichtige Geheimnisse und Schätze. Es ist die erste „Verteidigungslinie“, die das Sonnensystem vor möglichen Schäden durch galaktische kosmische Strahlung schützt und Informationen aus der Frühzeit des Sonnensystems bewahrt.

Wie ist der Ausbreitungs- und Entwicklungsmechanismus des Sonnenwindes in der Heliosphäre? Welche Hinweise enthalten interplanetare Staubwolken auf die Geburt des Lebens und die Anfänge des Sonnensystems? Die Erforschung der Grenzen des Sonnensystems wird der Menschheit ein neues Fenster zum Verständnis des Universums öffnen und die Antworten werden in Zukunft nach und nach ans Licht kommen.

Welche Technologien werden benötigt, um die Grenzen des Sonnensystems zu erforschen?

Die Erforschung der Grenzen des Sonnensystems stellt höhere Anforderungen an die Luft- und Raumfahrttechnik. Dazu ist es erforderlich, die grundlegenden Technologien von Materialien, Instrumenten, elektronischen Komponenten usw. in extremen Umgebungen zu verbessern und Durchbrüche in hochmodernen Weltraumtechnologien zu erzielen, etwa im Orbitaldesign, bei neuen hocheffizienten Energie- und Antriebstechnologien, bei der Mess- und Steuerungskommunikation über ultralange Distanzen sowie bei neuen wissenschaftlichen Nutzlasten.

Die Erforschung der Grenzen des Sonnensystems ist eine langwierige und zeitaufwändige Aufgabe. Daher muss das Energiesystem der Sonde einerseits in der Lage sein, einen langfristig stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten. Andererseits gilt: Je weiter die Sonde von der Sonne entfernt ist, desto weniger Sonnenenergie kann sie aufnehmen. Daher muss das Problem der Stromversorgung unter extrem dunklen Bedingungen gelöst werden.

Derzeit sind Atombatterien ein wichtiger Weg zur Lösung von Energieproblemen. Atombatterien erzeugen autonom Strom, haben eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer. Radioisotopen-Thermoelektrische Generatoren (RTGs) sind mittlerweile relativ ausgereift und verwenden Plutonium-238 als Rohstoff. Die Halbwertszeit von Atombatterien beträgt bis zu 88 Jahre. Die Lebensdauer der Stromversorgung von Voyager 1 und 2 beträgt mehr als 40 Jahre. Eine wichtige Richtung von Kernbatterien ist die Entwicklung von Energiequellen aus Weltraumkernreaktoren, die leistungsstärker und billiger sind als Isotopenenergiequellen. Wenn die Technologie in Zukunft ausgereifter ist, wird sie die Gesamtleistung des Detektors verbessern.

Die Sonde hat Milliarden von Kilometern zurückgelegt und hält dank des Weltraumverfolgungs-, Steuerungs- und Kommunikationssystems immer noch ununterbrochenen Kontakt mit der Erde, wodurch der Flug der Sonde effektiv gesteuert und kontinuierlich wertvolle wissenschaftliche Daten zur Erde übertragen werden können. Je weiter der Detektor von der Erde entfernt ist, desto schwächer wird das Kommunikationssignal und desto länger wird die Verzögerung. Dies erfordert die Entwicklung einer effizienteren Kanalcodierungstechnologie, Durchbrüche bei der Erfassung und Verfolgung extrem schwacher Signale über ultralange Entfernungen sowie die Entwicklung von Bodenantennen-Arrays mit großer Apertur und Hochleistungssendern, damit die Mess- und Steuerungsmöglichkeiten der Erde das Sonnensystem abdecken und die Umsetzung der Mission wirksam unterstützen können.

Eine langfristige Flugerkennung stellt zudem höhere Anforderungen an die Lebensdauer des Detektors. Die Lebensdauer eines Satelliten in der Erdumlaufbahn beträgt normalerweise 10 bis 15 Jahre. Tiefenraumsonden müssen jahrzehntelang in der rauen Weltraumumgebung fliegen und arbeiten, was größere Herausforderungen an den Einsatz von Materialien, Komponenten, autonomem Systemmanagement sowie Fehlerdiagnose- und -verarbeitungstechnologien stellt. Diese Probleme müssen Schritt für Schritt gelöst werden.

An den Grenzen des Sonnensystems gibt es viele Unbekannte. Daher muss die Sonde über mehrere Funktionen und eine hohe Leistung verfügen, mit fortschrittlicher und umfangreicher wissenschaftlicher Nutzlast ausgestattet sein und eine Erkennung mehrerer Typen und Faktoren durchführen können. Bei wissenschaftlichen Nutzlasten müssen nicht nur die Erkennungsgenauigkeit und -reichweite, die hohe Empfindlichkeit und die Miniaturisierung des Gewichts kontinuierlich verbessert werden, sondern auch der Stromverbrauch muss minimiert und die Daten müssen komprimiert werden, um sicherzustellen, dass die Detektoren den maximalen Nutzen erzielen.

Die Erforschung der Grenzen des Sonnensystems bringt eine große Zahl technischer Herausforderungen in mehreren hochmodernen Bereichen mit sich, die die Fähigkeiten der menschlichen Luft- und Raumfahrttechnologie auf ein neues Niveau heben und zu einer weiteren Verbesserung des wissenschaftlichen und technologischen Niveaus sowie der Innovationsfähigkeit führen werden. (Autor: Yang Shirui)