Supercomputersimuleringer kaster lys over den heliosfæriske grænseflade

"Tredimensionelle træk ved den ydre heliosfære på grund af kobling mellem det interstellare og heliosfæriske magnetfelt. V. Bow Wave, Heliosfærisk grænselag, Ustabilitet, and Magnetic Reconnection" dukkede oprindeligt op i august sidste år i Astrofysisk Journal , en udgivelse af American Astronomical Society. Men avisen, hvis medforfattere omfatter to forskere ved University of Alabama i Huntsville (UAH), har for nylig fået fornyet opmærksomhed takket være dens unikke indsigt i fysiske fænomener, der forekommer ved den heliosfæriske grænseflade.

Dr. Nikolai Pogorelov og Dr. Jacob Heerikhuisen er begge fakultetsmedlemmer i Institut for Rumvidenskab og forskere med UAH's Center for Space Plasma and Aeronomic Research, hvoraf Dr. Heerikhuisen fungerer som associeret direktør. Deres tidligere samarbejder omfatter bl. blandt snesevis af andre, medforfatter til artikler om κ-fordelte protoner i solvinden og deres ladningsudvekslingskobling til energisk brint og effekten af ​​nye interstellare medieparametre på heliosfæren og energiske neutrale atomer fra den interstellare grænse.

Meget af deres arbejde involverer løsning af komplekse matematiske modeller af fysiske processer ved hjælp af supercomputere, især Blue Waters, som en del af National Science Foundations Petascale Computing Research Allocation Program. Dr. Pogorelov, der fungerer som medlem af Blue Waters' rådgivende udvalg for videnskab og ingeniørteam, siger, at han og hans medforfattere er taknemmelige for de muligheder, programmet giver.

Til denne undersøgelse, forskerne indsnævrede deres fokus på heliopausen, grænsen mellem solvinden og det lokale interstellare medium. Mere specifikt håbede de at forklare de observationsdata opnået fra Voyager 1 og Voyager 2, NASA-rumsonder blev opsendt i 1977, og Interstellar Boundary Explorer, en NASA-satellit opsendt i 2008.

"Vi havde brug for at øge netopløsningen enormt, at 'zoome ind på' regionen nær heliopausen, " siger Dr. Pogorelov, en 2017-stipendiat fra American Physical Society. "Så vi brugte adaptiv mesh-forfining i vores simuleringer af solvindens interaktion med det lokale interstellare medium." Holdet brugte også 3-D magnetohydrodynamisk plasma/kinetisk neutral atom simuleringer, og sammen gjorde disse teknikker dem i stand til at vise, at et tydeligt grænselag med nedsat plasmadensitet og forstærket magnetfelt skulle observeres på den interstellare side af heliopausen.

"Vi var i stand til at skelne plasmatæthedsstigningen over heliopausen fra den yderligere tæthedsstigning i det heliosfæriske grænselag, " siger han. "Og vi demonstrerede, at den simulerede tæthedsadfærd i det heliosfæriske grænselag stemmer godt overens med den målte frekvens af plasmabølger detekteret i det lokale interstellare medium af plasmabølgeinstrumentet ombord på Voyager 1."

Generelt sagt, plasmafrekvensen bør fortsætte med at stige, indtil rumfartøjet forlader det heliosfæriske grænselag. Imidlertid, tidsafhængige effekter såsom solcyklussen kan resultere i perioder med næsten konstant plasmafrekvens, som så igen bliver overhalet yderligere af den generelle tendens med stigende tæthed. Dr. Pogorelov og hans team hævder, at det heliosfæriske grænselag ikke er resultatet af plasmaanisotropi, som fundet i plasmaudtømningslag ved Jordens magnetosfære; hellere, det skyldes ladningsudveksling mellem neutrale H-atomer og protoner.

Fra det lokale interstellare mediums perspektiv, plasmatætheden stiger, når det lokale interstellare medium nærmer sig heliopausen, indtil det kommer ind i det heliosfæriske grænselag. "Ladningsudvekslingens indflydelse på mængder foran og bag et muligt stød inde i en buebølge blev opdaget for et par årtier siden, " siger han. "Men vi har været i stand til at skelne bidraget fra en stødrelateret stigning til en mere gradvis stigning inde i en såkaldt buebølge." Resultaterne produceret af den model, holdet brugte, var i overensstemmelse med fjern- og situobservationer fra IBEX, Ulysses, og Voyager rumfartøjer. "Det er blevet påvist, at bidraget fra et sub-chok normalt er lille sammenlignet med den samlede tæthedsforøgelse for realistiske solvind og lokale interstellare mediumegenskaber."

Modellens simuleringer var også i stand til at vise, at der ikke er noget "spring" i magnetfeltstørrelsen hen over heliopausen ved at gengive rotationen af ​​magnetfeltvektoren henover heliopausen, i overensstemmelse med Voyager I observationer. "Den ustabile opførsel af heliopausen viser, at Voyager 1 kan have krydset de på hinanden følgende områder besat af solvinden og det lokale interstellare mediumplasma på vej ind i det interstellare rum, " siger Dr. Pogorelov. "Dette scenarie er i kvalitativ overensstemmelse med Voyager I-observationerne af en række på hinanden følgende stigninger og fald i den galaktiske kosmiske strålestrøm."

Studiets ultimative succes var dens evne til at demonstrere, for første gang i globale simuleringer, at afbrydelsen af ​​heliopausen kan skyldes ustabiliteten i rivetilstanden, muligvis ledsagende magnetisk genforbindelse. "Vi har demonstreret, at observationerne fra Voyager 1 og 2 i den indre helioshed mellem det heliosfæriske termineringschok og heliopausen er i overensstemmelse med spredningen af ​​det heliosfæriske magnetfelt i de områder, der er fejet af det globale heliosfæriske strømark, som kan tolkes som den magnetiske ækvator for det heliosfæriske magnetfelt."

Med denne viden i hånden, forskerne ser nu frem til næste fase af deres undersøgelse. "Vores fremtidige arbejde er rettet mod at undersøge effekten af ​​solvind og lokal interstellar medium turbulens på magnetisk genforbindelse og ustabilitet nær heliopausen, " siger Dr. Pogorelov. "Isærligt, vi ønsker at bruge målinger af turbulente egenskaber fra Voyager 1 og Voyager 2, som er tilgængelige med meget høj nøjagtighed, og bruge disse data i simuleringer. Vi kan også skabe en model, der beskriver egenskaberne ved turbulens." Resultatet, han fortsætter, "vil være en kombination af observation, teori, og simulation" – og det burde uden tvivl give lige så spændende indsigt i heliopausen.