De Voyager-sondes sturen 47 jaar na hun lancering nog altijd signalen naar de aarde

Op 14 november 2023 begon Voyager 1 ineens onzin uit te kramen. Tot dan had de ruimtesonde op zijn reis door het zonnestelsel 46 jaar lang braaf zijn foto’s van planeten en metingen van het plaatselijke ruimteplasma naar de aarde verstuurd, versleuteld in een radiosignaal. Maar vanaf die herfstdag kwamen er alleen nog maar een repeterende reeks enen en nullen.

„Toen ik me realiseerde dat we Voyager 1 misschien kwijt waren, brak ik bijna in tranen uit”, zegt Kostas Dialynas, onderzoeker aan de Academie van Athene en lid van het wetenschappelijk team van het meetinstrument LECP, dat aan boord van Voyager 1 en zijn identieke broertje Voyager 2, geladen deeltjes in de ruimte meet. Onmiddellijk stelde NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, de bouwer van de Voyagers, een Tiger Team in, een klein team van deskundigen dat snel moest onderzoeken of Voyager 1 nog te redden was.

Grand tour van het zonnestelsel

Toen NASA-onderzoekers in 1977 Voyager 1 lanceerden verwachtten ze niet dat ze zich er bijna een halve eeuw later nog druk om zouden maken. De bedoeling was een ‘Grand Tour’ van het zonnestelsel. Voyager 1 vloog in 1979 en 1980 langs Jupiter, Saturnus en enkele van hun manen, Voyager 2, die twee weken eerder vertrok, stuurde ook nog foto’s van Uranus en Neptunus terug. Daarmee hadden de Voyagers hun missie glansrijk voltooid. „De instrumenten waren maar ontworpen voor vier jaar dienst”, zegt Dialynas, „het is echt wonderbaarlijk dat ze het nog doen.”

Inmiddels is het wetenschappelijk ruimteschip ver voorbij de baan van Pluto, op 24,3 miljard kilometer afstand van de aarde: 163 astronomische eenheden of au (een au is de afstand tussen de zon en de aarde: 150 miljoen kilometer).

Bij lancering – het ruimtevaarttijdperk was pas twintig jaar oud – waren de sondes het summum van wetenschappelijk en technisch kunnen. Op afbeeldingen van Voyager-sondes valt vooral de 3,7 meter brede schotelantenne op, en een 13 meter lang uitsteeksel met aan de top een instrument dat magnetische velden meet. Ook aan boord zijn camera’s, meetinstrumenten, een nucleaire batterij op plutonium en een aantal eenvoudige computers, waaronder het Flight Data System (FDS) dat de metingen versleutelt voor verzending.

Maar wat was nu de oorzaak van de reeks betekenisloze enen en nullen? Al snel vermoedde het JPL-team dat dit kwam door een geheugenchip in dit FDS. De inslag van een kosmisch deeltje of gewone veroudering had vermoedelijk een deel beschadigd van het geheugen, in totaal slechts 70 kilobyte. In maart lukte het om Voyager 1 een ‘dump’ van zijn geheugen naar huis te laten sturen. Inderdaad bleek 3 procent van zijn geheugen kapot.

Dat gaf de ingenieurs de kans om een herschikking te bedenken, waarbij de code verhuisd werd naar delen van het geheugen die nog wel werken. Op 19 mei werden de updates verstuurd. Omdat het radiosignaal 22,5 uur onderweg is, moesten JPL-ingenieurs 45 uur wachten op een reactie. „Je kon een speld horen vallen in de minuten voordat we een signaal verwachtten”, zei Voyager-wetenschapper Linda Spilker tegen de Amerikaanse website Ars Technica.

Herschikkingen van de code

Maar de update werkte, gevolgd door een reeks zorgvuldig geplande, herschikkingen van de FDS-code en het opnieuw kalibreren van meetinstrumenten. Op 13 juni kondigde NASA’s JPL dat de vier nog werkende instrumenten weer data terugsturen: een magneetveldenmeter, de deeltjesmeter LECP, een voor kosmische deeltjes en een meter voor elektronen.

„Je zou kunnen zeggen dat Voyager 1 genezen is van een milde alzheimer”, zegt Kostas Dialynas. Juist nu is de wonderbaarlijke genezing welkom. Na de geslaagde planetentour braken er in de jaren negentig saaie tijden aan voor de Voyagers, die gestaag door de leegte voorbij de laatste planeet Neptunus ploegden. In 1990 draaide Voyager 1 zich nog een laatste keer om, om de iconische pale blue dot-foto te maken, waarop de aarde te zien is als één lichtblauwe pixel tegen een donkere achtergrond.

Maar wetenschappelijk was er lang weinig te beleven: de metingen varieerden nauwelijks. Slechts een handjevol wetenschappers lazen de nieuwe gegevens nog regelmatig uit.

Pas tegen 2004 begon het weer interessant te worden, toen de buitenwijken van het zonnestelsel in zicht kwamen. De zon blaast een voortdurende stroom deeltjes het heelal in: de zonnewind, die op aarde de hand heeft in poollichten. Deze deeltjesstroom blaast een bel rond de zon, begrensd door het gas in de interstellaire ruimte tussen de sterren.

Deze missie is zo uniek, die moeten ze echt zo lang mogelijk in de lucht houden

Het eerste teken van verandering was het passeren van de ‘terminatieschok’. Hoewel er geen geluid is in de ruimte, kunnen dichtheidsverschillen in het ijle ruimteplasma zich voortplanten met snelheden van rond de 100 kilometer per seconde. Aanvankelijk stroomt de zonnewind veel sneller, maar tegendruk van het interstellaire gas geeft op een bepaald punt een abrupte vertraging: de terminatieschok.

„Voordat Voyager vertrok speculeerden onderzoekers dat de terminatieschok zo ongeveer bij Jupiter zou liggen”, zegt Dialynas, „dat bleek dus veel verder.” Pas in 2004 passeerde Voyager 1 de terminatieschok, Voyager 2 volgde in 2007. Daar nam de dichtheid toe. In plaats van ongeveer duizend deeltjes per kubieke meter, maten de Voyagers er tweeduizend.

Jarenlang koerste de sonde door deze zone van relatief dichter gas, de ‘heliosheath’, tot de volgende mijlpaal waar de zonnewind helemaal tot stilstand komt onder de tegendruk van de interplanetaire gas: de heliopauze. Daarbuiten begint het interstellair medium, waar de gas- en deeltjesstromen van alle andere sterren samen overheersen. Deze grens passeerde Voyager 1 in 2012, Voyager 2 volgde in 2018. De heliosfeer lijkt daarmee op een gekookt ei. In de dooier bevinden zich alle planeten, de grens tussen dooier en eiwit is de terminatieschok; het eiwit zelf is dan de heliosheath, begrensd door de schil van de heliopauze.

Ook die vorm hielpen de Voyagers mee vaststellen. Zelf bevinden de sondes zich bij de bolle ‘neus’ van het ei, de boeg van de heliosfeer die met zo’n 24 kilometer per seconde door het interstellaire plasma ploegt. „Lang dachten we dat de heliosfeer een soort komeet-structuur had: een bolle boeg aan de voorkant, en een heel lange staart van wel 20.000 au aan de achterkant”, zegt Dialynas. In dat geval zou er aan die achterkant geen heliosheath te zien zijn.

Geen komeetvorm

Maar in die richting zijn geen sondes gestuurd, dus een direct beeld wat daar gebeurt ontbreekt. Wel hadden andere metingen, aan boord van de Saturnus-sonde Cassini, stromen van snelle ladingsloze ‘energetische neutrale atomen’ in beeld gebracht, die uit alle richtingen komen. Met hun plaatselijke metingen bevestigden de Voyagers dat die deeltjes gegenereerd worden in de heliosheath. „Dus weten we hoe we de heliosheath in kaart kunnen brengen”, zet Dialynas. En aangezien we die aan alle kanten zien, lijkt de heliosfeer een bel-vorm te hebben, geen komeetvorm.

„Door de Voyagers hebben we kunnen zien hoe de heliosfeer in elkaar zit. We weten nu bijvoorbeeld ook dat de heliosheath dunner is dan we verwacht hadden”, zegt Veerle Sterken, ruimte-onderzoeker aan de ETH in Zürich die onderzoek doet naar stof in de ruimte: kleine samenklonteringen van vaste stoffen zoals silicium en koolstof, met afmetingen tussen nanometers en micrometers. Dat stof is afkomstig van onder andere eerder geëxplodeerde sterren, en speelt – ook bij andere sterren – een rol bij de vorming van planeten.

„Ik ben vooral geïnteresseerd in de interacties van stof met de heliosfeer”, zegt Sterken. Voor haar leveren Voyager-sondes de ground truth, de enige metingen ter plekke van de heliosfeer. „Mijn vakgebied is pas jong, en heel veel weten we nog niet, maar de Voyagers hebben een eerste schets opgeleverd van onze omgeving.”

Inmiddels bevinden beide Voyagers zich in de interstellaire ruimte, waar de zonnewind uitgewaaid is, en de zon alleen zichtbaar is als een stipje tussen duizenden. Maar ook daar volgden nog ontdekkingen. „Toen we de heliopauze doorkruisten, dachten we dat we de invloedssfeer van de zon waren ontsnapt”, zegt Dialynas, „maar nu blijkt dat we ook voorbij dat punt nog schokgolven meten, afkomstig van uitbarstingen op de zon.”

Onvermijdelijk nadert het moment dat de stroom metingen weer zal stoppen, deze keer voorgoed. De energiebron van Voyagers, die draait op de warmte van radioactief plutonium, wordt steeds zwakker. Vermoedelijk ergens rond 2030 zal het niet meer genoeg zijn om signalen naar huis te sturen. Maar als het aan Dialynas ligt, wordt dat moment zo lang mogelijk uitgesteld. „Deze missie is zo uniek, die moeten ze echt zo lang mogelijk in de lucht houden. Ieder datapunt dat we krijgen is valuable as hell.”

Delen





Mail de redactie