Wetenschappers hebben een nieuwe voorspelling ontwikkeld van de vorm van de bel rond ons zonnestelsel met behulp van een model dat is ontwikkeld met gegevens van NASA-missies.

Alle planeten van ons zonnestelsel zijn ingekapseld in een magnetische bel, uitgehouwen in de ruimte door het voortdurend uitstromende materiaal van de zon, de zonnewind. Buiten deze bel bevindt zich het interstellaire medium - het geïoniseerde gas en het magnetische veld dat de ruimte tussen stellaire systemen in onze melkweg vult. Een vraag die wetenschappers al jaren proberen te beantwoorden, gaat over de vorm van deze luchtbel, die door de ruimte reist terwijl onze zon om het centrum van onze melkweg draait. traditioneel, wetenschappers hebben de heliosfeer gezien als een komeetvorm, met een afgeronde voorrand, de neus genoemd, en een lange staart erachter.

Onderzoek gepubliceerd in Natuurastronomie in maart en die op de omslag van het tijdschrift voor juli staat, biedt een alternatieve vorm zonder deze lange staart:de leeggelopen croissant.

De vorm van de heliosfeer is van binnenuit moeilijk te meten. De dichtstbijzijnde rand van de heliosfeer bevindt zich meer dan tien miljard mijl van de aarde. Alleen de twee Voyager-ruimtevaartuigen hebben dit gebied rechtstreeks gemeten, ons achterlatend met slechts twee punten van grondwaarheidsgegevens over de vorm van de heliosfeer.

Van dichtbij de aarde, we bestuderen onze grens met de interstellaire ruimte door deeltjes te vangen en te observeren die naar de aarde vliegen. Dit omvat geladen deeltjes die uit verre delen van de melkweg komen, genaamd galactische kosmische stralen, samen met degenen die al in ons zonnestelsel waren, reis naar de heliopauze, en worden teruggekaatst naar de aarde via een complexe reeks elektromagnetische processen. Dit worden energetisch neutrale atomen genoemd, en omdat ze worden gecreëerd door interactie met het interstellaire medium, ze fungeren als een nuttige proxy voor het in kaart brengen van de rand van de heliosfeer. Dit is hoe NASA's Interstellaire Boundary Explorer, of steenbokken, missie bestudeert de heliosfeer, deze deeltjes gebruiken als een soort radar, het traceren van de grens van ons zonnestelsel tot de interstellaire ruimte.

Om deze complexe gegevens te begrijpen, wetenschappers gebruiken computermodellen om deze gegevens om te zetten in een voorspelling van de kenmerken van de heliosfeer. Merav Opher, hoofdauteur van het nieuwe onderzoek, staat aan het hoofd van een door NASA en NSF gefinancierd DRIVE Science Center aan de Boston University gericht op de uitdaging.

Deze nieuwste iteratie van Opher's model maakt gebruik van gegevens van NASA-planetaire wetenschappelijke missies om het gedrag van materiaal in de ruimte dat de bel van de heliosfeer vult te karakteriseren en een ander perspectief op zijn grenzen te krijgen. NASA's Cassini-missie droeg een instrument, ontworpen om deeltjes te bestuderen die vastzitten in het magnetische veld van Saturnus, die ook waarnemingen deed van deeltjes die terugkaatsten naar het binnenste zonnestelsel. Deze metingen zijn vergelijkbaar met die van IBEX, maar bieden een duidelijk perspectief op de grens van de heliosfeer.

Aanvullend, NASA's New Horizons-missie heeft metingen geleverd van pick-up ionen, deeltjes die in de ruimte worden geïoniseerd en worden opgepikt en meebewegen met de zonnewind. Vanwege hun verschillende oorsprong van de zonnewinddeeltjes die uit de zon stromen, pick-up ionen zijn veel heter dan andere zonnewinddeeltjes - en het is dit feit waar Ophers werk van afhangt.

"Er zijn twee vloeistoffen met elkaar vermengd. Je hebt een component die erg koud is en een component die veel heter is, de pick-up ionen, " zei Opher, een professor in de astronomie aan de Boston University. "Als je wat koude vloeistof en warme vloeistof hebt, en je zet ze in de ruimte, ze zullen niet vermengen - ze zullen meestal afzonderlijk evolueren. Wat we deden was deze twee componenten van de zonnewind scheiden en de resulterende 3D-vorm van de heliosfeer modelleren."

Als we de componenten van de zonnewind afzonderlijk beschouwen, gecombineerd met Opher's eerdere werk waarbij het magnetische veld van de zon wordt gebruikt als een dominante kracht bij het vormgeven van de heliosfeer, creëerde een leeggelopen croissantvorm, met twee stralen die wegdraaien van het centrale bolvormige deel van de heliosfeer, en met name het ontbreken van de lange staart die door veel wetenschappers wordt voorspeld.

"Omdat de pick-up ionen de thermodynamica domineren, alles is zeer bolvormig. Maar omdat ze het systeem heel snel na de beëindigingsschok verlaten, de hele heliosfeer loopt leeg, " zei Opper.

De vorm van ons schild

De vorm van de heliosfeer is meer dan een kwestie van academische nieuwsgierigheid:de heliosfeer fungeert als het schild van ons zonnestelsel tegen de rest van de melkweg.

Energetische gebeurtenissen in andere sterrenstelsels, zoals supernova, deeltjes kunnen versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Deze deeltjes schieten alle kanten op, ook in ons zonnestelsel. Maar de heliosfeer werkt als een schild:het absorbeert ongeveer driekwart van deze enorm energetische deeltjes, genaamd galactische kosmische stralen, die hun weg naar ons zonnestelsel zouden vinden.

Degenen die het wel halen, kunnen grote schade aanrichten. We worden op aarde beschermd door het magnetische veld en de atmosfeer van onze planeet, maar technologie en astronauten in de ruimte of op andere werelden worden blootgesteld. Zowel elektronica als menselijke cellen kunnen worden beschadigd door de effecten van galactische kosmische straling - en omdat galactische kosmische stralen zoveel energie vervoeren, ze zijn moeilijk te blokkeren op een manier die praktisch is voor ruimtereizen. De heliosfeer is de belangrijkste verdediging van ruimtevaarders tegen galactische kosmische straling, dus het begrijpen van zijn vorm en hoe dat de snelheid van galactische kosmische stralen beïnvloedt die ons zonnestelsel bekogelen, is een belangrijke overweging voor het plannen van robot- en menselijke verkenning van de ruimte.

De vorm van de heliosfeer maakt ook deel uit van de puzzel voor het zoeken naar leven op andere werelden. De schadelijke straling van galactische kosmische straling kan een wereld onbewoonbaar maken, een lot vermeden in ons zonnestelsel vanwege ons sterke hemelschild. Naarmate we meer te weten komen over hoe onze heliosfeer ons zonnestelsel beschermt - en hoe die bescherming in de loop van de geschiedenis van het zonnestelsel kan zijn veranderd - kunnen we op zoek gaan naar andere sterrenstelsels die vergelijkbare bescherming zouden kunnen hebben. En een deel daarvan is de vorm:zijn onze heliosferische lookalikes langstaartige komeetvormen, leeggelopen croissants, of iets heel anders?

Wat de ware vorm van de heliosfeer ook is, een aanstaande NASA-missie zal een zegen zijn voor het ontrafelen van deze vragen:de Interstellar Mapping and Acceleration Probe, of IMAP.

IMAP, gepland voor lancering in 2024, zal de deeltjes in kaart brengen die terugstromen naar de aarde vanaf de grenzen van de heliosfeer. IMAP zal voortbouwen op de technieken en ontdekkingen van de IBEX-missie om nieuw licht te werpen op de aard van de heliosfeer, interstellaire ruimte, en hoe galactische kosmische stralen hun weg vinden naar ons zonnestelsel.

Opher's DRIVE Science Center heeft tot doel een testbaar model van de heliosfeer te maken op tijd voor de lancering van IMAP. Hun voorspellingen van de vorm en andere kenmerken van de heliosfeer - en hoe dat zou worden weerspiegeld in de deeltjes die terugstromen van de grens - zouden wetenschappers een basislijn bieden om te vergelijken met de gegevens van IMAP.