Ver buiten de banen van de planeten zijn de wazige contouren van de heliosfeer, de magnetische bel in de ruimte die we thuis noemen. Deze flexibele kosmische bel rekt en krimpt als reactie op het zuchten en zuchten van de zon.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een team van wetenschappers onder leiding van David McComas van Princeton heeft een volledige zonnecyclus van gegevens verzameld van NASA's IBEX-ruimtevaartuig, die ze gebruikten om te bestuderen hoe de heliosfeer in de loop van de tijd verandert. Zonnecycli duren ongeveer 11 jaar, terwijl de zon van seizoenen van hoge naar lage activiteit zwaait en weer terug. Wetenschappers wilden graag het 11-jarige record van IBEX gebruiken om de verschuivingen aan de rand van de heliosfeer te bekijken. De resultaten laten de vorm van de heliosfeer zien - een kwestie van discussie in de afgelopen jaren - en duiden op processen achter een van de meest raadselachtige kenmerken. Deze bevindingen, samen met een nieuw verfijnde dataset, werden gepubliceerd in The Astrophysical Journal Supplementen op 10 juni.

"Het is deze zeer kleine missie, " zei McComas, de hoofdonderzoeker van de missie en een professor in de astrofysische wetenschappen. STEENBOK, afkorting van de Interstellaire Grensverkenner, is de maat van een busband. "Het is een enorm succes, veel langer duren dan iemand had verwacht. We hebben nu het geluk dat we een hele zonnecyclus van waarnemingen hebben."

De rand van het zonnestelsel in kaart brengen, één deeltje tegelijk

De bel van de heliosfeer is gevuld met de zonnewind, de constante stroom van geladen deeltjes van de zon. De zonnewind raast alle kanten op, een miljoen mijl per uur, totdat het botst tegen het interstellaire medium, winden van andere sterren die de ruimte tussen hen vullen.

Terwijl de zon door het interstellaire medium waadt, het genereert een hete, dichte golf net als de boeggolf van een boot. De kosmische omgeving van onze heliosfeer staat bekend als de Local Fluff, een wolk van superhete gassen. Waar de zonnewind de Local Fluff ontmoet, is de rand van de heliosfeer, heliopauze genoemd. Net daarbinnen ligt een turbulent gebied dat de heliosheath wordt genoemd.

IBEX richt zich op kleine deeltjes die energetisch neutrale atomen worden genoemd en die ontstaan ​​als ze heet zijn, geladen deeltjes zoals die in de zonnewind botsen met koude neutralen zoals die vanuit de interstellaire ruimte binnenstromen. Zippy zonnewinddeeltjes kunnen elektronen van logge interstellaire atomen grijpen, zelf neutraal worden.

Het duurt ongeveer een jaar voordat een windvlaag langs de planeten raast, voorbij de asteroïdengordel en de Kuipergordel, naar de rand van de heliosfeer - een reis van 100 keer de afstand tussen de zon en de aarde. Onderweg, de zonnewind pikt geïoniseerde atomen van interstellaire gassen op die de heliosfeer zijn binnengekropen. De zonnewind die aan de rand aankomt, is niet dezelfde wind die een jaar eerder van de zon is vertrokken.

Zonnewinddeeltjes kunnen nog eens zes maanden door de chaos van de heliosheath zwerven, de kloof tussen de twee buitenste grenzen van de heliosfeer. onvermijdelijk, sommige botsen met interstellaire gassen en worden energetisch neutraal. Het kost de neutrale deeltjes bijna een jaar voor de terugreis, de ruimte doorkruisen van de rand van de heliosfeer terug naar IBEX - en dat is alleen als de deeltjes precies in de goede richting gaan. Van alle gevormde neutrale deeltjes, slechts enkelen halen IBEX daadwerkelijk. De hele reis duurt twee tot drie jaar voor de deeltjes met de hoogste energie in het waarnemingsbereik van IBEX, en zelfs langer bij lagere energieën of verder weg gelegen gebieden.

IBEX profiteert van het feit dat neutrale atomen zoals deze niet worden omgeleid door het magnetische veld van de zon:verse neutrale deeltjes worden bijna in een rechte lijn weggestoten van botsingen.

IBEX onderzoekt de lucht naar de deeltjes, wijzend op hun richting en energie. Het ruimtevaartuig detecteert slechts ongeveer één om de seconde. Het resultaat is een langzaam opbouwende kaart van de interstellaire grens, gemaakt volgens hetzelfde principe dat een vleermuis gebruikt om zijn weg door de nacht te echolokaliseren:monitor binnenkomende signalen om gestaag meer over iemands omgeving te leren. Door te bestuderen waar de neutralen vandaan komen, en wanneer, IBEX kan de verre grenzen van onze heliosfeer traceren.

"We hebben zoveel geluk dat we dit vanuit de heliosfeer kunnen observeren, " zei Justyna Sokoł, die een NAWA Bekker Program Visiting Fellow was op Princeton 2019 tot 2020.

Met behulp van IBEX's meer dan 11 jaar aan gegevens, McComas en zijn team observeerden de steeds veranderende zonnewind. Ze zagen dat als de wind waait, de heliosfeer wordt opgeblazen als een ballon, en neutrale deeltjes stromen naar de buitenste randen. Als de wind gaat liggen, de balloncontracten; neutrale deeltjes nemen af. De daaruit voortvloeiende wip van neutrale deeltjes, meldden de wetenschappers, echode consequent twee tot drie jaar na de veranderingen in de wind - als gevolg van hun reis naar de rand van het zonnestelsel en terug.

"Het duurt zoveel jaren voordat deze effecten de rand van de heliosfeer bereiken, " zei Jamey Szalay, een geassocieerd onderzoeker in astrofysica en lid van het IBEX-team. "Omdat we zoveel gegevens van IBEX hebben, kunnen we eindelijk deze langetermijncorrelaties maken."

De heliosfeer vormgeven

Van 2009 tot 2014, de wind blies vrij laag en stabiel, een zacht briesje. De heliosfeer trok samen. Toen kwam er een verrassende deining in de zonnewind, alsof de zon een diepe zucht slaakte. Eind 2014, NASA-ruimtevaartuigen die in een baan om de aarde cirkelen, detecteerden de toename van de zonnewinddruk met ongeveer 50 procent - en deze is sindsdien hoog gebleven.

Twee jaar later, de golvende zonnewind leidde tot een vlaag van neutrale deeltjes in de heliosheath. Nog eens twee jaar later, ze vulden het grootste deel van de neus van de heliosfeer voordat ze boven de noord- en zuidpool van de heliosfeer kwamen.

Deze veranderingen waren niet symmetrisch. Elke waargenomen hobbel volgde de eigenaardigheden van de vorm van de heliosfeer. De wetenschappers waren verbaasd over hoe duidelijk ze de boeggolf van de zonnewind zagen die de heliopauze naar buiten duwde.

"Tijd en de neutrale deeltjes hebben de afstanden echt voor ons in de vorm van de heliosfeer geschilderd, " zei McComas, die ook de vice-president van Princeton is voor het Princeton Plasma Physics Laboratory.

IBEX heeft de effecten van deze kosmische zucht nog steeds niet waargenomen vanaf de achterkant van de heliosfeer, de heliostaart. Dat suggereert dat het staartuiteinde veel verder van de zon verwijderd is dan de voorkant - die deeltjes zijn op een veel langere reis. Misschien raast de zonnewind nog steeds naar de staart, of misschien zijn neutrale deeltjes al op de terugweg. In de komende jaren, het IBEX-team zal naar hen uitkijken.

"De natuur heeft dit perfecte experiment voor ons opgezet om deze grens beter te begrijpen, "Zei Szalay. "We moeten zien wat er gebeurt als dit ene grote ding - de zonnewind-push - verandert."

De vorm van de heliosfeer is de afgelopen jaren onderwerp van discussie geweest tussen wetenschappers. Sommigen hebben beweerd dat onze bel in de ruimte zo bolvormig is als een bol; anderen suggereerden dat het dichter bij een croissant ligt. Maar in deze studie McComas zei, IBEX-gegevens laten duidelijk zien dat de reactie van de heliosfeer op de zonnewind-push asymmetrisch was - dus de heliosfeer zelf moet ook asymmetrisch zijn, in de vorm van een komeet. De zon staat dicht aan de voorkant, en terwijl het door de ruimte raast, de heliotail loopt aanzienlijk verder achter.

De grootste puzzel van IBEX aanpakken

De jarenlange gegevens van IBEX hebben wetenschappers ook dichter bij een verklaring gebracht voor een van de meer raadselachtige kenmerken van de heliosfeer, bekend als het IBEX-lint - een van de grootste ontdekkingen van IBEX. Aangekondigd in 2009, het verwijst naar een grote, diagonale baan van energetische neutralen, geschilderd over de voorkant van de heliosfeer. Wetenschappers hebben lang in de war gebracht:waarom zou een deel van de grens zo anders moeten zijn dan de rest?

Overuren, IBEX heeft aangegeven dat wat het lint vormt heel anders is dan wat de rest van de interstellaire hemel vormt. Het wordt gevormd door de richting van het interstellaire magnetische veld. Maar hoe worden lintdeeltjes geproduceerd? Nutsvoorzieningen, de wetenschappers melden dat het zeer waarschijnlijk is dat een secundair proces verantwoordelijk is, waardoor de reis van een bepaalde groep energetische neutrale deeltjes ruwweg verdubbelt.

Het verhaal gaat als volgt:nadat ze energetische neutralen waren geworden, in plaats van terug te ketsen naar IBEX, deze groep deeltjes schiet in de tegenovergestelde richting, over de heliopauze en in de interstellaire ruimte. Daar, ze proeven van de Local Fluff, cruisen tot sommigen onvermijdelijk botsen met passerende geladen deeltjes, opnieuw een elektron verliezen en gebonden raken aan het omringende magnetische veld. Nog eens twee jaar of zo, en de geladen deeltjes botsen opnieuw met langzamere soortgenoten, het stelen van elektronen zoals ze eerder hebben gedaan. Na deze korte migratie voorbij de heliosfeer, de tweemaal geboren energetische neutralen komen uiteindelijk weer binnen, raast terug naar huis.

Uitgebreide IBEX-gegevens hielpen de wetenschappers om het lint te verbinden met de lange interstellaire tour van de deeltjes. Deeltjes die het lint vormen, hebben zo'n twee jaar meer afgelegd dan de rest van de waargenomen neutrale deeltjes. Als het ging om de piek van de zonnewind, het lint duurde nog twee jaar nadat de rest van de heliosfeer begon te reageren.

De aanvankelijke missie van twee jaar ver overtreft, IBEX zal binnenkort worden vergezeld door een andere NASA-missie, IMAP—afkorting van de Interstellar Mapping and Acceleration Probe, waarvoor McComas ook als hoofdonderzoeker fungeert. De missie is gepland voor eind 2024.

"IMAP biedt een perfecte gelegenheid om te studeren, met grote resolutie en gevoeligheid, wat IBEX ons begint te laten zien, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.