De Voyager-1 is een ruimtesonde die al 36 jaar met een snelheid van 17 kilometer per seconde onderweg is. Hij heeft als eerste door mensen gemaakt object het zonnestelsel verlaten. Dat staat in de NRC van 13 september 2013. De sonde werd in 1977 gelanceerd om beelden te maken van Jupiter en Saturnus. Hij bevat elektrische generatoren die hun energie krijgen van de warmte die vrijkomt bij het kernverval van een voorraad plutonium. Om energie te sparen werden steeds meer meetinstrumenten uitgeschakeld. Nu werken alleen de magnetometers en de deeltjestellers nog, schrijft de NRC op gezag van een artikel van NASA-onderzoekers in Science. (Nadere informatie kun je vinden op de site van NASA, met zoektermen `Voyager NASA edge solar system'.)
Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Het krantenartikel stelt dat het toestel de grens heeft overschreden van het gebied waarin het magnetisch veld van de zon de deeltjeswind uit de interstellaire ruimte op afstand houdt. Die grens beschouwt men als grens van het zonnestelsel. Het passeren van de grens leidt men af uit de gemeten toename van het aantal elektronen van 0,002 naar 0,008 per kubieke centimeter. De grens van het zonnestelsel is volgens de NRC een rafelrand, met wisselende invloed van sterrenwind en magnetisch veld van de zon.
Bij het artikel in de NRC is ook een illustratie opgenomen waarin op één lijn de posities van de zon, enkele planeten, de Kuipergordel, de afremmingszone van de zonnewind en de grens van het zonnestelsel op schaal zijn aangegeven. De afstanden zijn hierin uitgedrukt in astronomische eenheden (AE). Ter toelichting staat erbij: 1 AE = afstand tussen zon en aarde = 150 miljoen kilometer. Volgens dit plaatje ligt de grens van het zonnestelsel op ruim 120 AE van de zon .
Opgaven:
a) Maak een schatting van de gemiddelde snelheid van de Voyager-1 op grond van de bereikte afstand en de reistijd.
b) Vergelijk die met de hierboven gegeven snelheid. Geef een reden voor het verschil.
c) Geef minstens één argument waarom het vreemd is om over `de grens van het zonnestelsel' te spreken.
d) De door NASA gehanteerde definitie voor `de grens van het zonnestelsel' heeft het voordeel dat die door meting bepaald kan worden. Hoe definieert NASA die grens?
e) Welke deeltjes worden als indicator gebruikt?
f) Hoe merkten meetinstrumenten van de Voyager dat hij door de grens ging?
g) Hoe komt het dat de grens `een rafelrand' is?
Uitwerking vraag (a)
s = 120 AE = 120 * 150 * 106 = 1,8 * 1010 km.
t = 36 jr = 36 * 365 * 24 * 3600 s = 1,1 * 109 s.
Dus:
vgem = s / t = 16 km / s.
Uitwerking vraag (b)
Dat is een beetje lager dan de gegeven snelheid van 17 km/s. De reden is dat de Voyager-1 gestart is met een lagere snelheid.
Uitwerking vraag (c)
Het zonnestelsel bestaat uit de zon, zijn planeten en vele andere objecten, zoals kometen, die in een baan om de zon draaien. Leg je de grens bij de buitenste van deze objecten die in een baan om de zon draaien? Dan is het moeilijk over een scherpe grens te spreken als je niet weet welk object het verst van de zon af is. Je zou bij de grens ook kunnen denken aan het einde van het gravitatieveld van de zon, maar dat ligt in het oneindige. Je zou ook denken aan de zone waar de gravitatiekracht van de zon en de zwaartekracht van de andere lichamen in de Melkweg elkaar opheffen. De plaats van die zone is echter alleen door berekening aan te geven, en dan moet je de complete massaverdeling in onze melkwegstelsel kennen.
Uitwerking vraag (d)
De grens ligt daar waar de `deeltjeswind' uit de interstellaire ruimte door het magnetisch veld van de zon wordt tegengehouden of afgebogen.
Uitwerking vraag (e)
Elektronen.
Uitwerking vraag (f)
Op gegeven moment was er een aanzienlijke toename in de door de deeltjestellers gemeten elektronendichtheid. Het magneetveld van de zon hield ze niet of nauwelijks meer tegen. De Voyager bevond zich kennelijk buiten de invloed van het magneetveld van de zon. De sonde heeft ook nog een magnetometer. Die zal wel gemerkt hebben dat het magnetisch veld zwak geworden was.
Uitwerking vraag (g)
De invloed van sterrenwind en magnetisch veld wisselen kennelijk. (De productie van geladen deeltjes door de sterren in ons melkwegstelsel is niet constant, bijvoorbeeld als gevolg van exploderende sterren. Het magnetisch veld van de zon is evenmin constant: er is variatie in zonneactiviteit.)
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.
