Wat gebeurt er als de zonnewind ineens beduidend harder gaat waaien? Volgens twee recente onderzoeken de grenzen van ons hele zonnestelsel ballon naar buiten - en een analyse van deeltjes die terugkaatsen van de randen zal zijn nieuwe vorm onthullen.

Eind 2014, NASA-ruimtevaartuig ontdekte een substantiële verandering in de zonnewind. Voor het eerst in bijna tien jaar de zonnewinddruk - een gecombineerde maat voor zijn snelheid en dichtheid - was met ongeveer 50 procent toegenomen en bleef daarna enkele jaren zo. Twee jaar later, de interstellaire grensverkenner, of steenbokken, ruimtevaartuig detecteerde het eerste teken van de nasleep. Zonnewinddeeltjes van de drukverhoging van 2014 hadden de rand van de heliosfeer bereikt, zichzelf geneutraliseerd, en schoot helemaal terug naar de aarde. En ze hadden een verhaal te vertellen.

In twee recente artikelen wetenschappers gebruikten IBEX-gegevens samen met geavanceerde numerieke modellen om te begrijpen wat deze terugkaatsende atomen ons kunnen vertellen over de evoluerende vorm en structuur van onze heliosfeer, de gigantische zeepbel uitgehouwen door de zonnewind.

"De resultaten laten zien dat de toename van de zonnewinddruk in 2014 zich al heeft voortgeplant van de zon naar de buitenste heliosfeer, het veranderen en uitbreiden van de grenzen van onze heliosfeer in hun meest nabije richting, " zei David McComas, de hoofdonderzoeker van de IBEX-missie aan de Princeton University in Princeton, New Jersey. "IBEX-gegevens die de komende jaren binnenstromen, zullen ons in staat stellen de uitbreiding en evoluerende structuur van de andere delen van de buitengrenzen van de heliosfeer in kaart te brengen."

Van de zon tot de rand van het zonnestelsel - en terug De kern van het verhaal zijn energetisch neutrale atomen - hoogenergetische deeltjes die aan de uiterste rand van ons zonnestelsel worden geproduceerd.

Terwijl de zonnewind met supersonische snelheden uit de zon stroomt, het blaast een bel op die bekend staat als de heliosfeer. De heliosfeer omhult alle planeten in ons zonnestelsel en een groot deel van de ruimte daarbuiten, het domein van onze zon scheiden van dat van de interstellaire ruimte.

Maar de reis van de zonnewind vanaf de zon verloopt niet soepel. Op weg naar de uiterste rand van onze heliosfeer, bekend als de heliopauze, de zonnewind gaat door verschillende lagen. De eerste hiervan staat bekend als de beëindigingsschok.

Alvorens de beëindigingsschok te doorstaan, de zonnewind breidt zich snel uit, grotendeels ongehinderd door materiaal van buitenaf.

"Maar bij de beëindigingsschok, ongeveer 9,3 miljard mijl van ons vandaan in elke richting, de zonnewind neemt abrupt af. Voorbij dit punt blijft het naar buiten bewegen, maar het is veel heter, " zei Eric Zirnstein, hoofdauteur van een van de papers in Princeton.

Eenmaal voorbij de beëindigingsschok, zonnewinddeeltjes komen een speciale limbo-zone binnen die bekend staat als de heliosheath. Hoewel de beëindigingsschok in wezen bolvormig is, men denkt dat de randen van de heliosfeer meer een boog rond de zon beschrijven terwijl deze door de ruimte beweegt - dichter bij de zon naar voren toe, en zich daar lang achter uitstrekkend, niet anders dan een komeet met een staart. Langs deze grenzen, zonnewinddeeltjes vermengen zich met deeltjes uit de interstellaire ruimte. Botsingen zijn onvermijdelijk:de hete, elektrisch geladen zonnewinddeeltjes knallen in de langzamere, koudere neutrale atomen uit de interstellaire ruimte, een elektron stelen en zelf neutraal worden.

"Van daaruit gaan ze ballistisch door de ruimte reizen, en sommigen komen helemaal terug naar de aarde, " zei Zirnstein. "Dit zijn de energetische neutrale atomen die IBEX waarneemt."

Eind 2016, toen IBEX's energetische neutrale atoombeeldsensor een ongewoon sterk signaal begon op te pikken, Professor McComas en zijn team gingen op zoek naar de oorzaak ervan. Hun bevindingen worden gerapporteerd in een artikel dat op 20 maart is gepubliceerd, 2018, in de Astrofysische journaalbrieven .

De energetische neutrale atomen kwamen van ongeveer 30 graden ten zuiden van de interstellaire windrichting, waarvan bekend was dat de heliosheath het dichtst bij de aarde was.

Om het verband met de toename van de zonnewinddruk in 2014 te kwantificeren, McComas en zijn team wendden zich tot numerieke simulaties, uitwerken hoe zo'n drukverhoging de energetisch neutrale atomen kan beïnvloeden die IBEX waarneemt.

"Dit soort simulaties omvat een model voor de fysica, die vervolgens wordt omgezet in vergelijkingen, die op hun beurt worden opgelost op een supercomputer, zei Jacob Heerikhuisen, een co-auteur van beide artikelen aan de Universiteit van Alabama in Huntsville.

Met behulp van computermodellen, het team simuleerde een hele heliosfeer, schokte het met een toename van de zonnewinddruk, en laat het de cijfers lopen. De simulatie voltooide een verhaal dat alleen door de gegevens werd gesuggereerd.

Volgens de simulatie is zodra de zonnewind de beëindigingsschok raakt, ontstaat er een drukgolf. Die drukgolf gaat verder naar de rand van de heliosfeer en kaatst gedeeltelijk terug, waardoor deeltjes worden gedwongen te botsen in de (nu veel dichtere) heliosheath-omgeving waar het net doorheen is gegaan. Daar zijn de energetisch neutrale atomen geboren die IBEX heeft waargenomen.

De simulaties leverden een overtuigende case op:IBEX observeerde inderdaad de resultaten van de toename van de zonnewinddruk in 2014, meer dan twee jaar later.

Maar daar stopte de simulatie niet. Het onthulde ook dat de toename van de zonnewinddruk in 2014, overuren, de heliosfeer nog verder opblazen. Drie jaar na de toename van de zonnewinddruk - tegen de tijd dat het artikel werd gepubliceerd - de beëindigingsschok, de binnenste bel in de heliosfeer, moet uitbreiden met zeven astronomische eenheden, of zeven keer de afstand van de aarde tot de zon. de heliopauze, de buitenste bubbel, moet uitbreiden met twee astronomische eenheden, met nog eens twee het volgende jaar.

Kortom, door de druk van de zonnewind op te voeren, onze heliosfeer is tegenwoordig groter dan een paar jaar geleden.

De nieuwe vorm van de heliosfeer

McComas en collega's bestudeerden de allereerste tekenen van de toename van de zonnewinddruk in 2014. Maar als we de komende jaren naar de gegevens kijken, kunnen we misschien nog meer vertellen - deze keer over de evoluerende vorm van onze heliosfeer.

"Er zijn veel onderzoeken geweest, sommige van een tijdje geleden, voorspellen hoe de vorm van de heliosfeer eruit zou moeten zien, "Zirstein, de hoofdauteur van het artikel, rapporten. "Maar het staat nog steeds ter discussie in de modelleergemeenschap. We hopen dat de toename van de zonnewinddruk in 2014 daarbij kan helpen."

Met behulp van dezelfde gegevens en simulaties die in het vorige artikel zijn gebruikt, Zirnstein en collega's liepen de klok vooruit, modelleren van de heliosfeer acht jaar na de toename van de zonnewinddruk in 2014. De resultaten beschrijven niet alleen het verleden, maar ook de toekomst modelleren. Het artikel is op 30 mei gepubliceerd, 2018, in The Astrophysical Journal.

"Wat we denken dat we in de nabije toekomst moeten zien, is een ring, zich uitbreidend langs de hemel, het markeren van de verandering in energetisch neutrale atoomflux in de tijd, "zei Zirnstein. "Deze ring zet uit vanaf het eerste contactpunt in de buitenste heliosfeer, in de richting van de heliotail."

Hoewel het eerste signaal dat IBEX in 2016 detecteerde een ononderbroken cirkel was, het zal niet zo blijven. Terwijl de zonnewind van 2014 steeds verder weg gelegen punten van de heliopauze bereikt, ze doen er langer over om terug te stuiteren, als een echo van een verre muur. De ronde vorm van de heliosfeer zorgt ervoor dat deze echo terugkaatst in de vorm van een ring.

Maar de belangrijkste bevinding kwam van het kijken naar de ring terwijl deze groter werd.

In hun simulatie Zirnstein en collega's ontdekten dat de precieze snelheid waarmee de ring uitzet gedeeltelijk afhing van de afstanden tussen de verschillende lagen van de heliosfeer:de beëindigingsschok, de heliopauze, en het deel van de heliosheath waar de energetische neutralen werden geproduceerd. Zirnstein realiseerde zich dat hij een nieuwe manier had gevonden om de grootte en vorm van de heliosfeer te meten.

"We konden de afstanden tot de verschillende grenzen van de heliosfeer schatten door gewoon te kijken naar deze ring die in de loop van de tijd aan de hemel verandert, ’ zei Zirnstein.

Zirnstein en collega's gebruikten hun gesimuleerde heliosfeer om een ​​teststudie uit te voeren. Door de uitzettingssnelheid van de ring te meten (en in te pluggen in de juiste vergelijkingen), ze konden de afstanden tot belangrijke structuren binnen hun gesimuleerde heliosfeer nauwkeurig reproduceren. Omdat ze wisten wat die afstanden waren in hun simulatie, ze konden hun werk controleren - bevestigen dat de techniek de juiste antwoorden kreeg en nauwkeurig zou moeten zijn wanneer ze op de echte heliosfeer worden toegepast.

Vervormingen in de ring - afwijkingen van een perfecte cirkel - kunnen ook asymmetrieën in de algehele vorm van de heliosfeer onthullen. "Het hangt af van hoe symmetrisch of asymmetrisch de heliosfeer is, Zirnstein voegde eraan toe. "Als de heliosfeer een ideale komeetvorm was, ' de ring moet in de loop van de tijd symmetrisch uitzetten. Maar in werkelijkheid zal dat waarschijnlijk niet gebeuren - we zullen moeten afwachten wat IBEX ons vertelt."

Zirnstein sprak zijn opwinding uit over de mogelijkheid om de ware vorm van de heliosfeer te leren kennen.

"De komende jaren met meer IBEX-gegevens, ik hoop dat we een 3D-beeld kunnen maken van de vorm van de heliosfeer, ’ zei Zirnstein.

De resultaten van deze twee onderzoeken hebben belangrijke praktische implicaties. "Door veranderingen in de zon te verbinden met waarnemingen van energetische neutrale atomen, kunnen we langetermijnveranderingen in de gevaarlijke omstandigheden voor ruimtestralingsomgevingen begrijpen - een soort ruimteklimaat in tegenstelling tot ruimteweer, ' zei McComas. 'Terwijl de zonnewind steeds minder hard waait, en onze zonnebubbel zet uit en krimpt in, die direct van invloed is op de hoeveelheid kosmische straling die de heliosfeer kan binnendringen, mogelijk gevaar voor astronauten op lange ruimtevluchten."

Maar de resultaten onderstrepen ook de ongelooflijke kracht van onze naaste ster. Veranderingen op de zon, inclusief de zonnewind, aanzienlijke gevolgen hebben, zich miljarden kilometers in de ruimte uitstrekken waar, daten, alleen de twee Voyager-ruimtevaartuigen hebben zich ooit gewaagd. Met technieken als energetische neutrale atoombeeldvorming, we kunnen ons niet zomaar voorstellen, maar meet nauwkeurig deze verre delen van de heliosfeer - ons huis in de melkweg.