Afdækning af vores solsystemers form

Forskere har udviklet en ny forudsigelse af formen på boblen, der omgiver vores solsystem, ved hjælp af en model udviklet med data fra NASA-missioner.

Alle planeterne i vores solsystem er indkapslet i en magnetisk boble, skåret ud i rummet af Solens konstant udstrømmende materiale, solvinden. Uden for denne boble er det interstellare medium - den ioniserede gas og det magnetiske felt, der fylder rummet mellem stjernesystemer i vores galakse. Et spørgsmål, videnskabsmænd har forsøgt at besvare i årevis, er om formen af ​​denne boble, som rejser gennem rummet, mens vores sol kredser om midten af ​​vores galakse. Traditionelt, Forskere har tænkt på heliosfæren som en kometform, med en afrundet forkant, kaldet næsen, og en lang hale bagefter.

Forskning offentliggjort i Natur astronomi i marts og vist på bladets forside for juli giver en alternativ form, der mangler denne lange hale:den tømte croissant.

Heliosfærens form er svær at måle indefra. Den nærmeste kant af heliosfæren er mere end ti milliarder miles fra Jorden. Kun de to Voyager-rumfartøjer har direkte målt denne region, efterlader os kun to punkter med jordsandhedsdata om heliosfærens form.

Fra nær Jorden, vi studerer vores grænse til det interstellare rum ved at fange og observere partikler, der flyver mod Jorden. Dette inkluderer ladede partikler, der kommer fra fjerne dele af galaksen, kaldet galaktiske kosmiske stråler, sammen med dem, der allerede var i vores solsystem, rejse ud mod heliopausen, og kastes tilbage mod Jorden gennem en kompleks række af elektromagnetiske processer. Disse kaldes energiske neutrale atomer, og fordi de er skabt ved at interagere med det interstellare medium, de fungerer som en nyttig proxy til at kortlægge kanten af ​​heliosfæren. Sådan er NASA's Interstellar Boundary Explorer, eller IBEX, mission studerer heliosfæren, gør brug af disse partikler som en slags radar, spore vores solsystems grænse til det interstellare rum.

For at give mening ud af disse komplekse data, videnskabsmænd bruger computermodeller til at omdanne disse data til en forudsigelse af heliosfærens karakteristika. Merav Opher, hovedforfatter af den nye forskning, leder et NASA- og NSF-finansieret DRIVE Science Center ved Boston University med fokus på udfordringen.

Denne seneste iteration af Ophers model bruger data fra NASAs planetariske videnskabsmissioner til at karakterisere opførselen af ​​materiale i rummet, der fylder heliosfærens boble og få et andet perspektiv på dens grænser. NASAs Cassini-mission bar et instrument, designet til at studere partikler fanget i Saturns magnetfelt, der også gjorde observationer af partikler, der hopper tilbage mod det indre solsystem. Disse mål ligner IBEX's, men giver et distinkt perspektiv på heliosfærens grænse.

Derudover NASAs New Horizons-mission har leveret målinger af opsamlingsioner, partikler, der ioniseres ude i rummet og opsamles og bevæger sig sammen med solvinden. På grund af deres særskilte oprindelse fra solvindpartiklerne, der strømmer ud fra Solen, pick-up ioner er meget varmere end andre solvindpartikler - og det er denne kendsgerning, som Ophers arbejde afhænger af.

"Der er to væsker blandet sammen. Du har en komponent, der er meget kold, og en komponent, der er meget varmere, de opsamlende ioner, " sagde Opher, professor i astronomi ved Boston University. "Hvis du har noget kold væske og varm væske, og du sætter dem i rummet, de vil ikke blande sig – de vil udvikle sig for det meste hver for sig. Det, vi gjorde, var at adskille disse to komponenter af solvinden og modellere heliosfærens resulterende 3D-form."

I betragtning af solvindens komponenter separat, kombineret med Ophers tidligere arbejde med at bruge solens magnetfelt som en dominerende kraft til at forme heliosfæren, skabte en tømt croissantform, med to stråler, der krøller væk fra den centrale løgformede del af heliosfæren, og især mangler den lange hale forudsagt af mange videnskabsmænd.

"Fordi de opsamlede ioner dominerer termodynamikken, alt er meget sfærisk. Men fordi de forlader systemet meget hurtigt ud over afslutningschokket, hele heliosfæren tømmes, " sagde Opher.

Formen på vores skjold

Heliosfærens form er mere end et spørgsmål om akademisk nysgerrighed:Heliosfæren virker vores solsystems skjold mod resten af ​​galaksen.

Energiske begivenheder i andre stjernesystemer, som supernova, kan accelerere partikler til næsten lysets hastighed. Disse partikler raketter ud i alle retninger, herunder i vores solsystem. Men heliosfæren fungerer som et skjold:Den absorberer omkring tre fjerdedele af disse enormt energirige partikler, kaldet galaktiske kosmiske stråler, som ville finde vej ind i vores solsystem.

Dem, der klarer det, kan skabe kaos. Vi er beskyttet på Jorden af ​​vores planets magnetfelt og atmosfære, men teknologi og astronauter i rummet eller på andre verdener er afsløret. Både elektronik og menneskelige celler kan blive beskadiget af virkningerne af galaktiske kosmiske stråler - og fordi galaktiske kosmiske stråler bærer så meget energi, de er svære at blokere på en måde, der er praktisk til rumrejser. Heliosfæren er rumfarendes vigtigste forsvar mod galaktiske kosmiske stråler, så forståelse af dens form og hvordan det påvirker hastigheden af ​​galaktiske kosmiske stråler, der kaster vores solsystem, er en nøgleovervejelse for planlægning af robot- og menneskelig udforskning af rummet.

Heliosfærens form er også en del af puslespillet for at opsøge livet på andre verdener. Den skadelige stråling fra galaktiske kosmiske stråler kan gøre en verden ubeboelig, en skæbne, der er undgået i vores solsystem på grund af vores stærke himmelskjold. Efterhånden som vi lærer mere om, hvordan vores heliosfære beskytter vores solsystem - og hvordan den beskyttelse kan have ændret sig gennem solsystemets historie - kan vi lede efter andre stjernesystemer, der kan have lignende beskyttelse. Og en del af det er formen:Er vores heliosfæriske lookalikes langhalede kometformer, tømte croissanter, eller noget helt andet?

Uanset heliosfærens sande form, en kommende NASA-mission vil være en velsignelse for at løse disse spørgsmål:Interstellar Mapping and Acceleration Probe, eller IMAP.

IMAP, planlagt til lancering i 2024, vil kortlægge de partikler, der strømmer tilbage til Jorden fra heliosfærens grænser. IMAP vil bygge på teknikkerne og opdagelserne fra IBEX-missionen for at kaste nyt lys over heliosfærens natur, interstellare rum, og hvordan galaktiske kosmiske stråler trænger ind i vores solsystem.

Opher's DRIVE Science Center har til formål at skabe en testbar model af heliosfæren i tide til IMAP's lancering. Deres forudsigelser om heliosfærens form og andre karakteristika - og hvordan det ville afspejle sig i partiklerne, der strømmer tilbage fra grænsen - ville give en baseline for forskere at sammenligne med IMAPs data.