"Driedimensionale kenmerken van de buitenste heliosfeer als gevolg van koppeling tussen het interstellaire en heliosferische magnetische veld. V. De booggolf, Heliosferische grenslaag, instabiliteiten, and Magnetic Reconnection" verscheen oorspronkelijk afgelopen augustus in de Astrofysisch tijdschrift , een publicatie van de American Astronomical Society. Maar het papier, wiens co-auteurs twee onderzoekers zijn van de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), heeft onlangs hernieuwde aandacht gekregen dankzij zijn unieke inzichten in fysieke verschijnselen die optreden op het heliosferische grensvlak.

Dr. Nikolai Pogorelov en Dr. Jacob Heerikhuisen zijn beide faculteitsleden van de afdeling Ruimtewetenschap en onderzoekers van UAH's Centre for Space Plasma and Aeronomic Research, waarvan dr. Heerikhuisen de adjunct-directeur is. Hun eerdere samenwerkingen omvatten, onder tientallen anderen, co-auteur van artikelen over κ-gedistribueerde protonen in de zonnewind en hun ladingsuitwisselingskoppeling met energetische waterstof en het effect van nieuwe interstellaire mediumparameters op de heliosfeer en energetische neutrale atomen van de interstellaire grens.

Veel van hun werk bestaat uit het oplossen van complexe wiskundige modellen van fysieke processen met behulp van supercomputers, in het bijzonder Blue Waters, als onderdeel van het Petascale Computing Research Allocation Program van de National Science Foundation. Dr. Pogorelov, die lid is van de adviescommissie van het Blue Waters Science and Engineering Team, zegt dat hij en zijn coauteurs dankbaar zijn voor de kansen die het programma biedt.

Voor deze studie is de onderzoekers vernauwden hun focus op de heliopauze, de grens tussen de zonnewind en het lokale interstellaire medium. Meer specifiek hoopten ze de waarnemingsgegevens van Voyager 1 en Voyager 2 te verklaren, NASA-ruimtesondes gelanceerd in 1977, en de Interstellaire Grensverkenner, een NASA-satelliet gelanceerd in 2008.

"We moesten de rasterresolutie enorm verhogen, om in te zoomen op de regio nabij de heliopauze, " zegt Dr. Pogorelov, een fellow uit 2017 van de American Physical Society. "Dus hebben we adaptieve mesh-verfijning gebruikt in onze simulaties van de interactie van de zonnewind met het lokale interstellaire medium." Het team gebruikte ook 3D magnetohydrodynamische plasma/kinetische neutrale atoomsimulaties, en samen stelden deze technieken hen in staat om aan te tonen dat een duidelijke grenslaag van verminderde plasmadichtheid en versterkt magnetisch veld zou moeten worden waargenomen aan de interstellaire zijde van de heliopauze.

"We waren in staat om de toename van de plasmadichtheid over de heliopauze te onderscheiden van de verdere toename van de dichtheid in de heliosferische grenslaag, " zegt hij. "En we hebben aangetoond dat het gesimuleerde dichtheidsgedrag in de heliosferische grenslaag goed overeenkomt met de gemeten frequentie van plasmagolven gedetecteerd in het lokale interstellaire medium door het plasmagolfinstrument aan boord van Voyager 1."

In het algemeen, de plasmafrequentie zou moeten blijven toenemen totdat het ruimtevaartuig de heliosferische grenslaag verlaat. Echter, tijdsafhankelijke effecten zoals de zonnecyclus kunnen resulteren in perioden van bijna constante plasmafrequentie, die op hun beurt weer worden ingehaald door de algemene trend van toenemende dichtheid. Dr. Pogorelov en zijn team beweren dat de heliosferische grenslaag niet het resultaat is van plasma-anisotropie, zoals gevonden in plasma-uitputtingslagen in de magnetosfeer van de aarde; liever, het is te wijten aan de uitwisseling van lading tussen neutrale H-atomen en protonen.

Vanuit het perspectief van het lokale interstellaire medium, de plasmadichtheid neemt toe naarmate het lokale interstellaire medium de heliopauze nadert totdat het de heliosferische grenslaag binnengaat. "De invloed van ladinguitwisseling op hoeveelheden voor en achter een mogelijke schok in een boeggolf werd een paar decennia geleden ontdekt, "zegt hij. "Maar we hebben de bijdrage kunnen onderscheiden van een schokgerelateerde toename tot een meer geleidelijke toename binnen een zogenaamde boeggolf." van IBEX, Ulysses, en Voyager-ruimtevaartuigen. "Er is aangetoond dat de bijdrage van een subschok meestal klein is in vergelijking met de algehele dichtheidstoename voor realistische zonnewind en lokale interstellaire mediumeigenschappen."

De simulaties van het model konden ook aantonen dat er geen "sprong" is in de grootte van het magnetische veld over de heliopauze door de rotatie van de magnetische veldvector over de heliopauze te reproduceren, in overeenstemming met de waarnemingen van Voyager I. "Het onstabiele gedrag van de heliopauze laat zien dat Voyager 1 op weg naar de interstellaire ruimte mogelijk de opeenvolgende gebieden heeft doorkruist die worden ingenomen door de zonnewind en lokaal interstellair medium plasma, " zegt Dr. Pogorelov. "Dit scenario is in kwalitatieve overeenstemming met de Voyager I-waarnemingen van een aantal opeenvolgende toenames en afnames in de galactische kosmische stralingsstroom."

Het uiteindelijke succes van de studie was het vermogen om aan te tonen, voor het eerst in wereldwijde simulaties, dat de verstoring van de heliopauze te wijten kan zijn aan de instabiliteit van de scheurmodus, eventueel begeleidende magnetische herverbinding. "We hebben aangetoond dat de waarnemingen door Voyager 1 en 2 in de binnenste heliosheath tussen de heliosferische beëindigingsschok en de heliopauze consistent zijn met de dissipatie van het heliosferische magnetische veld in de regio's die worden geveegd door de wereldwijde heliosferische stroomplaat, die kan worden geïnterpreteerd als de magnetische evenaar voor het heliosferische magnetische veld."

Met deze kennis in de hand, de onderzoekers kijken nu vooruit naar de volgende fase van hun onderzoek. "Ons toekomstige werk is gericht op het onderzoeken van het effect van zonnewind en lokale interstellaire mediumturbulentie op magnetische herverbinding en instabiliteiten in de buurt van de heliopauze, " zegt Dr. Pogorelov. "In het bijzonder, we willen metingen van turbulente eigenschappen van Voyager 1 en Voyager 2 gebruiken, die beschikbaar zijn met een zeer hoge nauwkeurigheid, en gebruik deze gegevens in simulaties. We kunnen ook een model maken dat de eigenschappen van turbulentie beschrijft." hij gaat door, "zal een combinatie zijn van observatie, theorie, en simulatie" - en het zou ongetwijfeld even opwindende inzichten in de heliopauze moeten opleveren.