استكشاف الفضاء – العلوم في الفضاء

الطاقة الشمسية و فيزياء الفضاء

كان أول اكتشاف علمي تم إنتاجه بواسطة أدوات تدور في الفضاء هو وجود أحزمة فان ألن الإشعاعية ، التي اكتشفها إكسبلورر 1 في عام 1958. حققت البعثات الفضائية اللاحقة في الأرض الغلاف المغنطيسي ، وهو المنطقة المحيطة بالفضاء التي يمارس فيها المجال المغناطيسي لكوكب الأرض تأثيرًا مسيطرًا (نرى الأرض: المجال المغناطيسي والغلاف المغنطيسي. وكان من الاهتمامات الخاصة والمتواصلة تفاعل تدفق الجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس ، والمعروفة باسم الرياح الشمسية ، مع الغلاف المغناطيسي. وأظهرت أبحاث العلوم الفضائية المبكرة ، على سبيل المثال ، أن عرض الغلاف الجوي المضيء يعرف باسم الشفق هو نتيجة لهذا التفاعل ، وعرف العلماء أن الغلاف المغناطيسي هو ظاهرة بالغة التعقيد.

في وقت لاحق تم التركيز على التحقيق في فيزياء الفضاء لفهم خصائص الشمس ، على حد سواء كنجم متوسط ​​وكمصدر أساسي للطاقة لبقية النظام الشمسي ، واستكشاف الفضاء بين الشمس والأرض والكواكب الأخرى (نرى المتوسطة بين الكواكب). كما تم دراسة الأجسام المغناطيسية للكواكب الأخرى ، ولا سيما المشتري بحقلها المغناطيسي القوي. سعى العلماء إلى فهم أفضل للديناميات الداخلية والسلوك العام للشمس ، والأسباب الكامنة وراء الاختلافات في النشاط الشمسي ، والطريقة التي تنتشر بها هذه الاختلافات في الفضاء وتؤثر في النهاية على الغلاف المغناطيسي للأرض والطبقة العليا من الغلاف الجوي. مفهوم تم تطوير الطقس الفضائي لوصف الظروف المتغيرة في منطقة الشمس-الأرض في النظام الشمسي. يمكن أن تتسبب التغيرات في الطقس الفضائي في حدوث عواصف مغنطيسية جغرافية تتداخل مع تشغيل الأقمار الصناعية وحتى الأنظمة على الأرض مثل شبكات الكهرباء.

لتنفيذ التحقيقات اللازمة لمعالجة هذه الأسئلة العلمية ، طورت الولايات المتحدة وأوروبا والاتحاد السوفييتي واليابان مجموعة متنوعة من المهمات الفضائية ، في كثير من الأحيان بطريقة منسقة. في الولايات المتحدة ، أجريت دراسات مبكرة للشمس من خلال سلسلة من تدور حول الأقمار الصناعية المرصد الشمسية (أطلقت 1962-75) وأطقم رواد الفضاء من محطة الفضاء Skylab في 1973-1974 ، وذلك باستخدام Apollo Telescope Mount الخاص بالمنشأة. وقد تبعها الساتل Solar Mission Mission (الذي تم إطلاقه في عام 1980). طورت وكالة الفضاء الأوروبية بعثة يوليسيس (1990) لاستكشاف المناطق القطبية في الشمس. كانت التفاعلات الشمسية-الأرضية محور العديد من سلاسل إكسبلورر للمركبات الفضائية (1958–75) وسواتل المرصد الجيوفيزيائي المداري (1964-1969). في الثمانينات من القرن الماضي ، أجرت ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية والمعهد الياباني للعلوم الفضائية والملاحة الفضائية مشروعًا تعاونيًا لتطوير سلسلة شاملة من البعثات الفضائية ، البرنامج الدولي الفيزياء الشمسية-الأرضية ، الذي يهدف إلى إجراء تحقيق كامل في اتصال صن-إيرث. كان هذا البرنامج مسؤولاً عن سفينة الفضاء الأمريكية (1994) و Polar (1996) ، والمرصد الأوروبي للطاقة الشمسية ومرصد الهيلوسفير (SOHO ، 1995) والكتل (2000) ، والساتل الياباني Geotail (1992). من بين العديد من البعثات الأخرى ، أطلقت وكالة ناسا عددًا من الأقمار الصناعية ، بما في ذلك الغلاف الجوي ، والأيونوسفير ، وطاقة الغلاف الحيوي والديناميكيات (TIMED ، 2001) ؛ اليابانية-الولايات المتحدة-المملكة المتحدة. تعاون Hinode (2006) ؛ ومرصد العلاقات الأرضية الشمسية (STEREO، 2006) ، وهو جزء من برنامج تحقيقاتها الأرضية الشمسية. كان مرصد Solar Dynamics (2010) و Van Allen Probes التوأم (2012) جزءًا من برنامج NASA آخر يسمى Living with a Star. قامت بعثة أوروبية / صينية من قمرتين تدعى Double Star (2003-04) بدراسة تأثير الشمس على بيئة الأرض.

استكشاف النظام الشمسي

من بداية النشاط الفضائي ، أدرك العلماء أن المركبات الفضائية يمكن أن تجمع بيانات قيمة علميا حول الكواكب المختلفة والأقمار والهيئات الأصغر في النظام الشمسي. حاولت كل من الولايات المتحدة والولايات المتحدة إرسال بعثات آلية إلى القمر في أواخر 1950s. أول أربعة الولايات المتحدة لم تكن المركبة الفضائية الرائدة ، Pioneer 0–3 ، التي تم إطلاقها في عام 1958 ، ناجحة في إرجاع البيانات عن القمر. كانت المهمة الخامسة ، بايونير 4 (1959) ، أول مركبة فضائية أمريكية هربا من قوة الجاذبية الأرضية. طارت على سطح القمر مرتين في المسافة المخطط لها ولكن أعاد بعض البيانات المفيدة. ثلاث بعثات سوفيتية استكشف لونا 1–3 محيط القمر في عام 1959 ، مؤكدا أنه لا يوجد لديه مجال مغناطيسي ملموس ويرسل الصور الأولى على الإطلاق من جانبه البعيد. وكانت لونا 1 أول مركبة فضائية تحلق فوق القمر وتضرب بايونير 4 لمدة شهرين. كانت لونا 2 ، في طريقها إلى الهبوط على سطح القمر ، أول مركبة فضائية تضرب جسمًا سماويًا آخر. في وقت لاحق ، في 1960s وأوائل 1970s ، هبطت سفينة الفضاء لونا Lunokhod لينة على سطح القمر ، وبعض عينات التربة التي تم جمعها وأعادتها إلى الأرض.

في ستينات القرن الماضي ، أصبحت الولايات المتحدة أول دولة ترسل مركبة فضائية إلى جوار الكواكب الأخرى. مارينر 2 حلقت من قبل فينوس في ديسمبر 1962 ، وحلقت مارينر 4 الماضي المريخ في يوليو 1965. من الإنجازات المهمة لمهمات الكواكب في العقود التالية كانت هبوط الفايكنج الأمريكي على سطح المريخ في عام 1976 واستكشاف فينيرا السوفيتي للغلاف الجوي وسطح الزهرة من منتصف الستينيات إلى منتصف الثمانينيات. في السنوات التي تلت ذلك ، واصلت الولايات المتحدة برنامجًا نشطًا للتنقيب عن النظام الشمسي ، كما فعل الاتحاد السوفييتي حتى تفككه في عام 1991. وأطلقت اليابان بعثات إلى القمر والمريخ المذنب هالي وأعاد عينات دقيقة من الكويكب ايتوكاوا. كما قامت هيلي أيضاً بأول مهمة مستقلة للنظام الشمسي في أوروبا ، هي جيوتو. بعد نهاية القرن الحادي والعشرين ، أرسلت بعثات إلى القمر والمريخ وهبوط المركبة المدارية ، روزيتا فيلة ، إلى مذنب. وأرسلت الهند والصين أيضا Chandrayaan-1 (2008) ومهمتين من Chang’e (2007 و 2010) على التوالي إلى مدار القمر. كما هبطت بعثة تشانغي 3 في الصين مركبة صغيرة من طراز Yutu على القمر في عام 2013. ودارت مهمة ناسا الفجر (2007) حول الكويكب الكبير Vesta في الفترة من 2011 إلى 2012 ودخلت مدارًا حول الكوكب القزم سيريس في عام 2015.

في وقت مبكر ، خطط العلماء لإجراء استكشاف النظام الشمسي على ثلاث مراحل: الاستطلاع الأولي من المركبات الفضائية التي تحلق بواسطة كوكب أو مذنب أو كويكب. مراقبة مفصلة من مركبة فضائية تدور حول الجسم ؛ والبحوث في الموقع بعد الهبوط على الجسم أو ، في حالة وجود كوكب غاز عملاق ، عن طريق إرسال التحقيق في غلافه الجوي. بحلول أوائل القرن الحادي والعشرين ، تم تنفيذ جميع هذه المراحل الثلاث من أجل القمر ، والزهرة ، والمريخ ، والمشتري ، وزحل ، وكويكب قريب من الأرض. وقد هبطت عدة سفن فضائية روسية وسوفييتية على كوكب الزهرة والقمر ، وهبطت الولايات المتحدة المركبة الفضائية على سطح المريخ. على المدى الطويل ، ومراقبة مفصلة من بدأ المشتري وأقماره في عام 1995 عندما كانت الولايات المتحدة غطت مركبة غاليليو الفضائية المدار حول الكوكب ، وفي نفس الوقت أطلقت مسبارا في جو جوفيان المضطرب. في عام 2001 ، الولايات المتحدة قرب المركبة الفضائية القريبة من الأرض الكويكب (NEAR) هبطت على الكويكز Eros ونقل المعلومات من سطحها لأكثر من أسبوعين. بين الكواكب الداخلية الصخرية ، فقط كان الزئبق لبعض الوقت مهملاً نسبياً. في نصف القرن الأول لاستكشاف الفضاء ، تمت زيارة عطارد مرة واحدة فقط ؛ قدم مجس الولايات المتحدة مارينر 10 ثلاثة أطواف من الكوكب في 1974-1975. في عام 2004 في الولايات المتحدة تم إطلاق مركبة الفضاء “ماسنجر” إلى “ميركوري” لسلسلة من خطوط الطيران بداية من عام 2008 ودخلت مدارًا حول الكوكب في عام 2011.

اعتبارا من عام 2017 ، استكشاف كواكب الغاز العملاقة الخارجيةاورانوس و نبتون – بقيت في المرحلة الأولى. في سلسلة من البعثات الأمريكية التي تم إطلاقها في السبعينيات من القرن الماضي ، طار كوكب المشتري بايونير 10 ، في حين قام بايونير 11 و طار فوياجر 1 و 2 من قبل كل من المشتري وزحل. ثم انتقل فوياجر 2 إلى ماضي أورانوس ونبتون. في 25 أغسطس 2012 ، أصبح Voyager 1 أول مسبار فضائي يدخل الفضاء البينجمي عندما يعبر هو heliopause ، وهو الحد الخارجي للحقل المغناطيسي للشمس والرياح الشمسية. كان من المتوقع أن يظل “المسافرون” في طريق عودتهم للبيانات حتى عام 2020. الولايات المتحدة الأمريكية بدأت مركبة الفضاء كاسيني ، التي بدأت في عام 1997 ، مهمة مراقبة طويلة الأجل في نظام ساتيرن في عام 2004 ؛ وفي العام التالي ، انزل مسبار هيوجنز المبني في أوروبا إلى سطح تيتان ، أكبر قمر زحل. في عام 2017 انتهت مهمة كاسيني عندما احترقت في جو زحل. في عام 2011 أطلقت الولايات المتحدة مهمة جونو ، التي درست أصل وتطور المشتري بعد وصوله إلى الكوكب العملاق في عام 2016. وهكذا ، كل جسم مهم في النظام الشمسي ، حتى الكوكب القزم بلوتو وأكبر قمرها ، تشارون ، وقد زار مرة واحدة على الأقل من قبل مركبة فضائية. (طارت المركبة الفضائية الأمريكية نيوهورايزن ، التي أطلقت في عام 2006 ، من قبل بلوتو وشارون في عام 2015.)

سعت هذه البعثات الاستكشافية إلى الحصول على معلومات عن منشأ وتطور النظام الشمسي وعن العناصر المختلفة التي يشتمل عليها ، بما في ذلك التركيب الكيميائي ؛ التضاريس السطحية ؛ البيانات المتعلقة بالمجالات المغناطيسية والأجواء والنشاط البركاني ؛ ولا سيما بالنسبة إلى المريخ ، دليل على وجود الماء في الحاضر أو ​​الماضي وربما في الحياة خارج الأرض بشكل ما.

ما تم تعلمه حتى الآن يؤكد أن الأرض وبقية النظام الشمسي تشكلت في نفس الوقت تقريبًا من نفس سحابة الغاز والغبار المحيطة بالشمس. الأربعة الخارجي إن كواكب الغاز العملاقة متشابهة تقريبًا في الحجم والتركيب الكيميائي ، ولكن لكل منها مجموعة من الأقمار التي تختلف اختلافًا كبيرًا في خصائصها ، وفي بعض النواحي ، تشبه هذه السواتل والأقمار الصناعية الخاصة بها الأنظمة الشمسية الصغيرة. كانت الكواكب الداخلية الصخرية الأربعة ذات أصل مشترك ولكنها تتبع مسارات تطورية مختلفة جدًا ولديها اليوم أسطح مختلفة تمامًا ، وأجواء ، ونشاط داخلي. يمكن أن تقدم الدراسة المقارنة الجارية لتطور كوكب الزهرة والمريخ والأرض معلومات مهمة حول مستقبل الأرض وقدرته المستمرة على دعم الحياة.

لا تزال مسألة ما إذا كانت الحياة موجودة في أي مكان آخر في النظام الشمسي تثير قلق العلماء وعامة الناس على حد سواء. أرسلت الولايات المتحدة مركبتين فايكينغ للهبوط على سطح المريخ في عام 1976. كل منهما يحتوي على ثلاث تجارب تهدف للبحث عن آثار للمواد العضوية التي قد تشير إلى وجود الماضي أو الحاضر اشكال الحياة؛ لم تنتج أي من التجارب نتائج إيجابية. وبعد عشرين عامًا ، أعلن فريق من العلماء يدرسون نيزكًا من أصل المريخ في أنتاركتيكا عن اكتشاف أحافير مجهرية محتملة ناتجة عن الحياة العضوية في الماضي. لم يتم قبول ادعائهم عالميا ، لكنه أدى إلى برنامج متسارع لاستكشاف المريخ تركز على البحث عن أدلة على عمل الماء السائل ، ويعتقد ضروري للحياة أن تطورت. ابتداءً من عام 2001 ، أرسلت الولايات المتحدة سلسلة من مهمات “تتبع الماء” إلى المدار أو الهبوط على المريخ ، بما في ذلك 2001 Mars Odyssey (2001) ، واثنين من مستكشف استكشاف المريخ ، والروح والفرصة (2003) ، ومرسى المريخ الاستطلاع (2005) ، وكيريوس روفر (2011). كما أطلقت أوروبا بعثة مارس اكسبرس في عام 2003. ومن الأهداف الرئيسية طويلة الأجل لبرنامج استكشاف المريخ إعادة عينات من سطح المريخ إلى الأرض من أجل التحليل المختبري.

هناك مؤشرات على أن الماء قد يكون موجودًا في النظام الشمسي الخارجي. قدمت بعثة غاليليو الصور والبيانات الأخرى المتعلقة بقمر المشتري يوروبا التي توحي بوجود محيط مائي سائل تحت قشرةه الجليدية. هناك حاجة إلى مهمات مستقبلية لتأكيد وجود هذا المحيط والبحث عن أدلة على عمليات عضوية أو بيولوجية فيه. أكدت بعثة كاسيني-هيغنز وجود بحيرات من الميثان السائل على قمر زحل تيتان واقترحت احتمال وجود مياه سائلة تحت سطح قمر آخر ، إنسيلادوس.