NASAs IBEX kortlægger 11 års forandring ved grænsen til det interstellare rum

Langt uden for planeternes kredsløb er heliosfærens disige konturer, den magnetiske boble i rummet, som vi kalder hjem. Denne fleksible kosmiske boble strækker sig og krymper som reaktion på solens gisp og suk.

Nu, for første gang, et hold videnskabsmænd ledet af Princetons David McComas har samlet en hel solcyklus af data fra NASAs IBEX-rumfartøj, som de brugte til at studere, hvordan heliosfæren ændrer sig over tid. Solcyklusser varer omkring 11 år, mens solen svinger fra sæsoner med høj til lav aktivitet og tilbage igen. Forskere var ivrige efter at bruge IBEX's 11-årige rekord til at se skift ved kanten af ​​heliosfæren. Resultaterne viser heliosfærens form - et spørgsmål om debat i de senere år - og antyder processer bag en af ​​dens mest forvirrende funktioner. Disse fund, sammen med et nyligt finjusteret datasæt, blev udgivet i The Astrophysical Journal Supplements den 10. juni.

"Det er denne meget lille mission, " sagde McComas, missionens hovedefterforsker og professor i astrofysiske videnskaber. IBEX, forkortelse for Interstellar Boundary Explorer, er på størrelse med et busdæk. "Det har været en stor succes, varer meget længere, end nogen havde regnet med. Vi er heldige nu at have en hel solcyklus af observationer."

Kortlægning af solsystemets kant, en partikel ad gangen

Heliosfærens boble er fyldt med solvinden, den konstante strøm af ladede partikler fra solen. Solvinden suser ud i alle retninger, en million miles i timen, indtil det støder mod det interstellare medium, vinde fra andre stjerner, der fylder rummet mellem dem.

Mens solen vader gennem det interstellare medium, det genererer en varm, tæt bølge meget som en båds stævnbølge. Vores heliosfæres kosmiske omgivelser er kendt som den lokale fnug, en sky af supervarme gasser. Hvor solvinden møder den lokale fnug er kanten af ​​heliosfæren, kaldet heliopausen. Lige inden for det ligger et turbulent område kaldet helioskeden.

IBEX fokuserer på bittesmå partikler kaldet energiske neutrale atomer, der skabes, når de er varme, ladede partikler som dem i solvinden kolliderer med kolde neutrale som dem, der strømmer ind fra det interstellare rum. Zippy solvindpartikler kan snuppe elektroner fra tømmende interstellare atomer, selv bliver neutrale.

Det tager omkring et år for et vindstød af solvind at køre forbi planeterne, forbi asteroidebæltet og Kuiperbæltet, til kanten af ​​heliosfæren - en rejse 100 gange afstanden mellem solen og Jorden. Langs vejen, solvinden opfanger ioniserede atomer af interstellare gasser, der har vristet sig ind i heliosfæren. Solvinden, der ankommer til kanten, er ikke den samme vind, som forlod solen et år før.

Solvindspartikler kan bruge yderligere seks måneder på at færdes i helioskedens kaos, kløften mellem heliosfærens to ydre grænser. uundgåeligt, nogle kolliderer med interstellare gasser og bliver energiske neutrale. Det tager de neutrale partikler tæt på endnu et år til returrejsen, at krydse rummet fra kanten af ​​heliosfæren tilbage til IBEX - og det er kun, hvis partiklerne tilfældigvis er på vej i præcis den rigtige retning. Af alle de dannede neutrale partikler, kun få når faktisk til IBEX. Hele turen tager to til tre år for de højeste energipartikler i IBEX's observationsområde, og endnu længere ved lavere energier eller fjernere områder.

IBEX udnytter det faktum, at neutrale atomer som disse ikke afledes af solens magnetfelt:Friske neutrale partikler bundet væk fra kollisioner i næsten en lige linje.

IBEX undersøger himlen for partiklerne, noterer deres retning og energi. Rumfartøjet registrerer kun cirka én hvert andet sekund. Resultatet er et langsomt opbyggende kort over den interstellare grænse, lavet ud fra det samme princip, som en flagermus bruger til at ekkolokalisere sin vej gennem natten:overvåg indkommende signaler for at lære mere om ens omgivelser hele tiden. Ved at studere, hvor de neutrale kommer fra, og når, IBEX kan spore de fjerne grænser for vores heliosfære.

"Vi er så heldige at observere dette inde fra heliosfæren, " sagde Justyna Sokół, som var NAWA Bekker Program Visiting Fellow ved Princeton 2019 til 2020.

Ved at bruge IBEX's mere end 11 års data, McComas og hans team observerede den evigt skiftende solvind. De så, at når vinden blæser, heliosfæren puster sig op som en ballon, og neutrale partikler stiger ved yderkanten. Når vinden stiller sig, ballonen trækker sig sammen; neutrale partikler svinder ind. Den efterfølgende vippe af neutrale partikler, forskerne rapporterede, konsekvent ekko to til tre år efter ændringerne i vinden - hvilket afspejler deres rejse til kanten af ​​solsystemet og tilbage.

"Det tager så mange år for disse effekter at nå kanten af ​​heliosfæren, " sagde Jamey Szalay, en associeret forsker i astrofysik og medlem af IBEX-teamet. "For at vi har så mange data fra IBEX, giver vi os endelig mulighed for at lave disse langsigtede korrelationer."

At forme heliosfæren

Fra 2009 til 2014, vinden blæste ret lavt og stabilt, en blid brise. Heliosfæren trak sig sammen. Så kom en overraskende dønning i solvinden, som om solen sugede et stort suk. I slutningen af ​​2014 NASA-rumfartøjet, der kredsede om Jorden, registrerede stigningen i solvindtrykket med omkring 50 procent - og det har været højt siden da.

To år senere, den bølgende solvind førte til en byge af neutrale partikler i helioskeden. Yderligere to år senere, de fyldte det meste af heliosfærens næse, før de krøb over heliosfærens nord- og sydpoler.

Disse ændringer var ikke symmetriske. Hvert observeret bump sporede ejendommelighederne ved heliosfærens form. Forskerne var overraskede over, hvor tydeligt de så buebølgen fra solvinden, der skubbede heliopausen ud.

"Tiden og de neutrale partikler har virkelig malet afstandene i form af heliosfæren for os, " sagde McComas, som også er Princetons vicepræsident for Princeton Plasma Physics Laboratory.

IBEX har stadig ikke observeret virkningerne af dette kosmiske suk fra bagenden af ​​heliosfæren, heliohalen. Det tyder på, at haleenden er meget længere væk fra solen end forsiden - disse partikler er på en meget længere rejse. Måske suser solvinden stadig mod halen, eller måske er neutrale partikler allerede på vej tilbage. I de kommende år, IBEX-holdet holder øje med dem.

"Naturen satte dette perfekte eksperiment op, så vi bedre kunne forstå denne grænse, " sagde Szalay. "Vi må se, hvad der sker, når denne ene store ting - solvinden - ændrer sig."

Heliosfærens form har været et spørgsmål om debat mellem videnskabsmænd i de senere år. Nogle har hævdet, at vores boble i rummet er lige så sfærisk som en globus; andre foreslog, at det er tættere på en croissant. Men i denne undersøgelse, McComas sagde, IBEX-data viser tydeligt, at heliosfærens reaktion på solvindens skub var asymmetrisk - så heliosfæren selv skal også være asymmetrisk, formet noget som en komet. Solen står tæt foran, og mens det suser gennem rummet, heliotail-stierne betydeligt længere bagud.

At tackle IBEX' største puslespil

IBEX's mange års data har også bragt forskere tættere på en forklaring på en af ​​heliosfærens mere forvirrende egenskaber, kendt som IBEX-båndet - en af ​​IBEX' største opdagelser. Annonceret i 2009, det henviser til et stort, diagonalt skår af energiske neutrale, malet på tværs af heliosfærens forside. Det har længe undret videnskabsmænd:Hvorfor skulle enhver del af grænsen være så forskellig fra resten?

Over tid, IBEX har indikeret, at det, der danner båndet, er meget anderledes end det, der danner resten af ​​den interstellare himmel. Det er formet af retningen af ​​det interstellare magnetfelt. Men hvordan produceres båndpartikler? Nu, forskerne rapporterer, at det er meget sandsynligt, at en sekundær proces er ansvarlig, hvilket får rejsen for en bestemt gruppe af energiske neutrale partikler til at fordobles omtrent.

Historien lyder sådan her:Efter at være blevet energiske neutrale, i stedet for at rive tilbage mod IBEX, denne gruppe af partikler stryger i den modsatte retning, på tværs af heliopausen og ind i det interstellare rum. der, de får en smag af den lokale fnug, krydser, indtil nogle uundgåeligt kolliderer med passerende ladede partikler, at miste en elektron igen og blive bundet til det omgivende magnetfelt. Der går endnu to år eller deromkring, og de ladede partikler kolliderer igen med langsommere jævnaldrende, stjæle elektroner, som de har gjort før. Efter denne korte migration ud over heliosfæren, de to gange fødte energiske neutrale kommer til sidst ind igen, skynder sig tilbage mod hjem.

Udvidede IBEX-data hjalp forskerne med at forbinde båndet med partiklernes lange interstellare tur. Partikler, der danner båndet, har rejst omkring to år mere end resten af ​​de neutrale partikler observeret. Når det kom til solvindspidsen, båndet tog yderligere to år efter resten af ​​heliosfæren at begynde at reagere.

Langt over sin oprindelige mission på to år, IBEX vil snart få selskab af en anden NASA-mission, IMAP – en forkortelse for Interstellar Mapping and Acceleration Probe, som McComas også fungerer som hovedefterforsker for. Missionen er planlagt til at lancere i slutningen af ​​2024.

"IMAP giver en perfekt mulighed for at studere, med stor opløsning og følsomhed, hvad IBEX er begyndt at vise os, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.