Mens solvinden blæser, vores heliosfæreballoner

Hvad sker der, når solvinden pludselig begynder at blæse markant hårdere? Ifølge to nyere undersøgelser, grænserne for hele vores solsystems ballon udad – og en analyse af partikler, der springer tilbage fra dens kanter, vil afsløre dens nye form.

I slutningen af ​​2014 NASA-rumfartøjet opdagede en væsentlig ændring i solvinden. For første gang i næsten et årti, solvindtrykket - et kombineret mål for dets hastighed og tæthed - var steget med cirka 50 procent og forblev sådan i flere år derefter. To år senere, Interstellar Boundary Explorer, eller IBEX, rumfartøjet opdagede det første tegn på eftervirkningerne. Solvindpartikler fra trykstigningen i 2014 havde nået kanten af ​​heliosfæren, neutraliserede sig selv, og skød helt tilbage til Jorden. Og de havde en historie at fortælle.

I to nylige artikler, videnskabsmænd brugte IBEX-data sammen med sofistikerede numeriske modeller for at forstå, hvad disse rebounding atomer kan fortælle os om den udviklende form og struktur af vores heliosfære, den gigantiske boble skåret ud af solvinden.

"Resultaterne viser, at stigningen i solvindtrykket i 2014 allerede har forplantet sig fra Solen til den ydre heliosfære, at ændre og udvide vores heliosfæres grænser i deres nærmeste retning, sagde David McComas, hovedefterforskeren for IBEX-missionen ved Princeton University i Princeton, New Jersey. "IBEX-data, der strømmer ind i løbet af de næste par år, vil lade os kortlægge ekspansionen og udviklende struktur af de andre dele af heliosfærens ydre grænser."

Fra Solen til kanten af ​​solsystemet – og tilbage I historiens kerne er der energiske neutrale atomer – højenergipartikler produceret i selve kanten af ​​vores solsystem.

Når solvinden strømmer ud fra Solen med supersoniske hastigheder, det sprænger en boble kendt som heliosfæren. Heliosfæren omslutter alle planeterne i vores solsystem og meget af rummet bagved dem, adskiller vores Sols domæne fra det interstellare rum.

Men solvindens rejse fra Solen er ikke en jævn tur. På vej mod kanten af ​​vores heliosfære, kendt som heliopausen, solvinden passerer gennem adskilte lag. Den første af disse er kendt som termineringschokket.

Inden du passerer opsigelseschokket, solvinden udvider sig hurtigt, stort set uhindret af ydre materiale.

"Men ved opsigelseschokket, omkring 9,3 milliarder miles væk fra os i alle retninger, solvinden bremses brat. Ud over dette punkt fortsætter den med at bevæge sig udad, men det er meget varmere, " sagde Eric Zirnstein, hovedforfatter til et af artiklerne på Princeton.

Når først opsigelseschokket er overstået, solvindpartikler kommer ind i en speciel limbozone kendt som helioskeden. Mens termineringschokket i det væsentlige er sfærisk, kanterne af heliosfæren menes at beskrive mere af en bue omkring Solen, når den bevæger sig gennem rummet - tættere på Solen mod fronten, og strækker sig længe bagved, ikke ulig en komet med en hale. Langs disse grænser, solvindpartikler blandes med partikler fra det interstellare rum. Kollisioner er uundgåelige:de varme, elektrisk ladede solvindpartikler banker ind i de langsommere, koldere neutrale atomer fra det interstellare rum, stjæle en elektron og selv blive neutral.

"Derfra rejser de ballistisk gennem rummet, og nogle når helt tilbage til Jorden, " sagde Zirnstein. "Dette er de energiske neutrale atomer, som IBEX observerer."

I slutningen af ​​2016 da IBEX's energiske neutrale atom-imager begyndte at opfange et usædvanligt stærkt signal, Professor McComas og hans team satte sig for at undersøge årsagen. Deres resultater er rapporteret i en artikel offentliggjort den 20. marts, 2018, i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

De energiske neutrale atomer kom fra omkring 30 grader syd for den interstellare opvindsretning, hvor helioskeden var kendt for at være tættest på Jorden.

For at kvantificere dens forbindelse til stigningen i solvindtrykket i 2014, McComas og hans team vendte sig til numeriske simuleringer, at finde ud af, hvordan en sådan trykstigning kunne påvirke de energiske neutrale atomer, som IBEX observerer.

"Disse typer simuleringer involverer en model for fysikken, som så bliver til ligninger, som igen løses på en supercomputer, sagde Jacob Heerikhuisen, medforfatter på begge artikler ved University of Alabama i Huntsville.

Brug af computermodeller, holdet simulerede en hel heliosfære, rykkede den med en stigning i solvindtrykket, og lad det køre tallene. Simuleringen afsluttede en historie, der kun antydes af dataene.

Ifølge simuleringen, når først solvinden rammer termineringschokket, skaber den en trykbølge. Den trykbølge fortsætter til kanten af ​​heliosfæren og vender delvist tilbage, tvinger partikler til at kollidere i det (nu meget tættere) helioskedemiljø, som det lige har passeret igennem. Det er her de energiske neutrale atomer, som IBEX observerede, blev født.

Simuleringerne gav et overbevisende eksempel:IBEX observerede faktisk resultaterne af stigningen i solvindtrykket i 2014, mere end to år senere.

Men simuleringen stoppede ikke der. Det afslørede også, at stigningen i solvindtrykket i 2014 ville, over tid, fortsætte med at sprænge heliosfæren yderligere i luften. Tre år efter stigningen i solvindtrykket - da artiklen blev publiceret - ophørschokket, den indre boble i heliosfæren, skal udvides med syv astronomiske enheder, eller syv gange afstanden fra Jorden til Solen. Heliopausen, den ydre boble, skal udvides med to astronomiske enheder, med yderligere to året efter.

Kort sagt, ved at skrue op for trykket fra solvinden, vores heliosfære i dag er større, end den var for blot et par år siden.

Heliosfærens nye form

McComas og kolleger studerede de allerførste tegn på stigningen i solvindtrykket i 2014. Men at se dataene i de kommende år kan fortælle os endnu mere - denne gang om den udviklende form af vores heliosfære.

"Der har været mange undersøgelser, nogle fra et stykke tid siden, forudsige hvordan heliosfærens form skal se ud, "Zirnstein, avisens hovedforfatter, rapporter. "Men det er stadig meget til debat i modelmiljøet. Vi håber, at stigningen i solvindtrykket i 2014 kan hjælpe med det."

Ved at bruge de samme data og simuleringer, som blev brugt i det forrige papir, Zirnstein og kolleger kørte uret frem, modellering af heliosfæren otte år efter stigningen i solvindtrykket i 2014. Resultaterne beskriver ikke kun fortiden, men også modellere fremtiden. Avisen udkom den 30. maj, 2018, i The Astrophysical Journal.

"Det, vi tror, ​​vi bør se i den nærmeste fremtid, er en ring, udvider sig over himlen, markerer ændringen i energetisk neutral atomflux over tid, " sagde Zirnstein. "Denne ring udvider sig væk fra det første kontaktpunkt i den ydre heliosfære, mod heliohalens retninger."

Selvom det første signal, der blev opdaget af IBEX i 2016, var en solid cirkel, sådan bliver det ikke. Efterhånden som solvinden i 2014 når punkter i heliopausen længere og længere væk, de tager længere tid at komme tilbage, som et ekko fra en fjern mur. Heliosfærens afrundede form får dette ekko til at reflektere tilbage i form af en ring.

Men nøgleresultatet kom fra at se ringen, mens den udvider sig.

I deres simulering, Zirnstein og kolleger fandt ud af, at den præcise hastighed, hvormed ringen udvider sig, delvist afhang af afstandene mellem de forskellige lag af heliosfæren:termineringschokket, heliopausen, og den del af helioskeden, hvor de energiske neutrale blev produceret. Zirnstein indså, at han havde fundet en ny måde at måle heliosfærens størrelse og form på.

"Vi kunne estimere afstandene til heliosfærens forskellige grænser bare ved at se på denne ring, der ændrer sig over tid på himlen, " sagde Zirnstein.

Zirnstein og kolleger brugte deres simulerede heliosfære til at køre en testundersøgelse. Ved at måle udvidelseshastigheden af ​​ringen (og sætte den ind i de rigtige ligninger), de kunne nøjagtigt gengive afstandene til nøglestrukturer inden for deres simulerede heliosfære. Da de vidste, hvad disse afstande var i deres simulering, de kunne tjekke deres arbejde - og validere, at teknikken fik de rigtige svar og skulle være nøjagtig, når den blev anvendt på den rigtige heliosfære.

Deformiteter i ringen - afvigelser fra en perfekt cirkel - kan også afsløre asymmetrier i heliosfærens overordnede form. "Det afhænger af, hvor symmetrisk eller asymmetrisk heliosfæren er, " tilføjede Zirnstein. "Hvis heliosfæren var en ideel 'kometform, ' ringen skal udvides symmetrisk over tid. Men i virkeligheden kommer det nok ikke til at ske - vi må vente og se, hvad IBEX fortæller os."

Zirnstein udtrykte begejstring over muligheden for at lære heliosfærens sande form.

"I løbet af de næste par år med flere IBEX-data, mit håb er, at vi kan bygge et 3-D billede af heliosfærens form, " sagde Zirnstein.

Resultaterne af disse to undersøgelser har vigtige praktiske implikationer. "At forbinde ændringer i Solen med energiske neutrale atomobservationer vil hjælpe os med at forstå langsigtede ændringer i de farlige forhold for rumstrålingsmiljøet - en slags rumklima i modsætning til rumvejr, " sagde McComas. "Når solvinden blæser mere og mindre hårdt, og vores solboble udvider sig og trækker sig sammen, som direkte påvirker mængden af ​​kosmiske stråler, der kan trænge ind i heliosfæren, potentielt true astronauter på langvarige rumflyvninger."

Men resultaterne understreger også vores nærmeste stjernes utrolige kraft. Forandringer på solen, inklusive solvinden, har betydelige konsekvenser, der strækker sig milliarder af miles ud i rummet, hvor til dato, kun de to Voyager-rumfartøjer har nogensinde vovet sig. Med teknikker som energisk neutral atom-billeddannelse, vi kan ikke bare forestille os, men mål præcist disse fjerne dele af heliosfæren - vores hjem i galaksen.