ボイジャー2号の太陽系外への旅が新たな宇宙の秘密を明らかにする

ボイジャー2号宇宙船は、太陽から離れて銀河系へと太陽風に乗って40年以上を費やしました。そして、1日も経たないうちに、探査機は太陽の保護バブルから飛び出し、エイリアン粒子の星間海へと飛び出しました。

有害な宇宙放射線の約70パーセントをはじくその泡の正確な形状と、内部が外部とどのように混ざり合うのか（あるいは混ざらないのか）は、何十年も研究者を悩ませてきた疑問だ。研究者たちは電波やその他の観測によって、宇宙の裏庭のこの端を間接的に垣間見てきたが、この神秘的な境界と初めて直接接触したのは、2012年にボイジャー1号がそこを通過したときだった。昨年11月に先代のボイジャーとともに外側を通過したボイジャー2号が、今度は2番目の場所でその様子を垣間見せてくれた。1年間の分析を経て、研究者たちはネイチャー・アストロノミー誌に、ボイジャー2号による私たちを取り囲む太陽の泡の直接測定の詳細を記した一連の論文を発表した。これは、ミッションが計画されていた当時は純粋に理論的なものだった物理的構造についての具体的な知識だ。

「50年前には、そこに境界があったかどうかさえわからなかった」とオハイオ大学名誉教授でボイジャーのプラズマ波計測機器の主任研究員であるドナルド・ガーネット氏は言う。

ボイジャーの主たるミッションは惑星探査だったが、拡張ミッションは太陽系全体に焦点を合わせた。太陽は空を照らすだけでなく、荷電粒子の太陽風を時速約 100 万マイルの速さで全方向に吹き出す。私たちは「宇宙」を空虚だと考えがちだが、この風は実際には太陽系を薄いプラズマ (一種の高温のエネルギーガス) で満たしており、太陽から遠ざかるほどプラズマは薄くなる。「部屋に香水を吹きかけるようなものです」とガーネット氏は言う。

最終的に太陽プラズマは非常に薄くなり、ルービックキューブ1つにつき電子1個程度になり、星間空間の物質を押しのけることはできなくなります。太陽の外側にもプラズマがあり、太陽の影響範囲内（太陽圏と呼ばれる領域）よりも外側のプラズマは20倍ほど厚くなります。薄いプラズマから濃いプラズマへのこの急激な変化は、探査機が星間空間に入ったことを示す兆候の1つでした。「私たちが測定しているのは私たちの裏庭です」と、ボイジャーチームには直接関わっていないボストン大学のプラズマ物理学者、メラヴ・オーファーは言います。「私たちは銀河系の故郷から外に出たことはありません。」

しかし、ボイジャーが近隣地域に進出し始めた今（他の運用終了した宇宙船も進出しているが、まだデータを取っていない）、研究者たちはそれぞれの地点からの測定結果を比較し、太陽圏の全体的な形状と挙動についてできる限りの情報をつなぎ合わせている。たとえば、ボイジャー1号は、太陽圏内にいる間に、間接的に星間プラズマの匂いをかぐことに成功した。これは、太陽が太陽系の周囲に隙間風のバリアを作っていることを示している。「まるで誰かが窓を開けて、境界の先に星間物質が出てきたようなものだ」とオファー氏は言う。

しかし、昨年の出発の際、ボイジャー2号はそのような星間突風を感じなかった。また、ボイジャー1号が無風状態を報告した領域である端まで太陽風を経験した。

さらに不可解なのは磁場の挙動だ。ボイジャー 2 号は、太陽プラズマの磁場が星間プラズマの磁場と滑らかに一直線に並び、境界の兆候はほとんど見られないという、やや物議を醸したボイジャー 1 号の磁気測定値を裏付けている。オファー氏は、再結合と呼ばれる現象が 2 つの磁場を融合させている可能性はあるが、全体として太陽圏は一部の人が期待するほど単純ではないと述べている。「私たちは、その外層、つまり星間物質と私たちを隔てる壁を本当に理解していません」と彼女は言う。「それは私たちが考えていたよりもはるかに複雑な事業なのです」

さらに複雑なことに、太陽圏は実際には球体ではない。太陽は天の川銀河をさまよいながら時速約6万マイルで宇宙を疾走し、太陽系全体を引っ張りながら、太陽圏をガーネット氏が「鈍い弾丸の形」と呼ぶ形に押しつぶしている。この弾丸が実際にどのような形をしているのかについては議論があるが（オーファー氏は船の航跡に似ていると述べている）、ボイジャーの2つの出口地点は研究者たちがその形状を突き止めるのに役立っている。

ボイジャー1号は弾丸の先端から飛び出し、ボイジャー2号はやや下と左から飛び出した。太陽の周期（太陽圏を膨張させたり収縮させたりすると考えられている）の異なる時期に異なる出口から飛び出したにもかかわらず、両方の宇宙船は太陽からほぼ同じ距離で弾丸の境界に遭遇しており、弾丸の前面がかなり丸いことを示している。側面や背面がどのようになっているかを調べるために、NASAはいつか別の数十年にわたるミッションを送り、別の地点に到達するかもしれない。しかしその間、研究者は、地球にずっと近いところから太陽圏の地図を遠隔的に作成することを目指す現在および今後のミッションであるIBEXとIMAPで我慢しなければならないだろう。

最終的に、ボイジャーの遺産は、太陽系の膜であろうと太陽の表面であろうと、宇宙が明確な境界線を好むことを強調することなのかもしれないとガーネットは推測する。古い格言にあるように真空を嫌うのではなく、自然が本当に嫌うのは滑らかな移行なのかもしれない。「星間空間に出ると、そこは一種の連続体になると思うかもしれない」と彼は言う。「しかし、自然はそれを非常に明確な境界線にすることを好むのだ」