Nyt bevis på, at vores kvarter i rummet er fyldt med brint

Kun de to Voyager-rumfartøjer har nogensinde været der, og det tog mere end 30 års supersoniske rejser. Det ligger et godt stykke forbi Plutos kredsløb, gennem det klippefyldte Kuiperbælt, og på fire gange så langt. dette rige, kun markeret af en usynlig magnetisk grænse, er hvor det soldominerede rum slutter:det interstellare rums nærmeste rækker.

I dette fantastiske ingenmandsland, partikler og lys, der udsendes af vores galakse 100 milliarder stjerner, støder med ældgamle rester af big bang. Denne blanding, tingene mellem stjernerne, er kendt som det interstellare medium. Dens indhold registrerer vores solsystems fjerne fortid og kan forudsige antydninger af dets fremtid.

Målinger fra NASAs New Horizons-rumfartøj reviderer vores estimater af en nøgleegenskab ved det interstellare medium:hvor tykt det er. Resultater offentliggjort i dag i Astrofysisk tidsskrift deler nye observationer om, at det lokale interstellare medium indeholder cirka 40 % flere brintatomer end nogle tidligere undersøgelser antydede. Resultaterne forener en række ellers uensartede målinger og kaster nyt lys over vores kvarter i rummet.

Slogging gennem interstellar tåge

Ligesom Jorden bevæger sig rundt om Solen, så hele vores solsystem suser gennem Mælkevejen, ved hastigheder over 50, 000 miles i timen. Mens vi krydser gennem en tåge af interstellare partikler, vi er skærmet af den magnetiske boble omkring vores sol kendt som heliosfæren. Mange interstellare gasser strømmer rundt om denne boble, men ikke alle.

Vores heliosfære afviser ladede partikler, som styres af magnetiske felter. Men mere end halvdelen af ​​de lokale interstellare gasser er neutrale, hvilket betyder, at de har et afbalanceret antal protoner og elektroner. Mens vi pløjer ind i dem, siver de interstellare neutrale lige igennem, tilføjer bulk til solvinden.

"Det er som om du løber gennem en tung tåge, opsamler vand, sagde Erik Christian, rumfysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, MD. "Når du løber, du får dit tøj helt gennemblødt, og det bremser dig."

Kort efter at disse interstellare atomer driver ind i vores heliosfære, de er zappet af sollys og smækket af solvindpartikler. Mange mister deres elektroner i tumulten, bliver positivt ladede "opsamlingsioner". Denne nye population af partikler, selvom ændret, bære med sig hemmeligheder af tågen hinsides.

"Vi har ikke direkte observationer af interstellare atomer fra New Horizons, men vi kan observere disse pickup-ioner, " sagde Pawel Swaczyna, postdoc ved Princeton University og hovedforfatter af undersøgelsen. "De er strippet for en elektron, men vi ved, at de kom til os som neutrale atomer uden for heliosfæren."

NASAs New Horizons rumfartøj, lanceret i januar 2006, er den, der er bedst egnet til at måle dem. Nu fem år efter mødet med Pluto, hvor den fangede de første tætte billeder af dværgplaneten, i dag begiver den sig gennem Kuiperbæltet på kanten af ​​vores solsystem, hvor pickup-ioner er de friskeste. Rumfartøjets solvind omkring Pluto, eller SWAP-instrument, kan detektere disse pickup-ioner, adskiller dem fra den normale solvind ved deres meget højere energi.

Mængden af ​​pickup-ioner, New Horizons registrerer, afslører tykkelsen af ​​den tåge, vi passerer igennem. Ligesom en jogger bliver vådere gennem tykkere tåge, jo flere pickup-ioner observerer New Horizons, jo tættere skal den interstellare tåge være udenfor.

Afvigende målinger

Swaczyna brugte SWAPs målinger til at udlede tætheden af ​​neutralt brint ved termineringschokket, hvor solvinden støder op mod det interstellare medium og brat bremser. Efter måneder med omhyggelig kontrol og test, tallet de fandt var 0,127 partikler per kubikcentimeter, eller omkring 120 brintatomer i et rum på størrelse med en liter mælk.

Dette resultat bekræftede en undersøgelse fra 2001, der brugte Voyager 2 - omkring 4 milliarder miles væk - til at måle, hvor meget solvinden var bremset, da den ankom til rumfartøjet. Opbremsningen, hovedsagelig på grund af mellemliggende interstellare mediumpartikler, foreslog en matchende interstellar brintdensitet, omkring 120 brintatomer i et rum på størrelse med kvarts.

Men nyere undersøgelser konvergerede omkring et andet antal. Forskere bruger data fra NASAs Ulysses-mission, fra en afstand lidt tættere på Solen end Jupiter, målte pickup-ioner og estimerede en tæthed på omkring 85 brintatomer i en liter rum. Et par år senere, en anden undersøgelse, der kombinerede Ulysses og Voyager-data, fandt et lignende resultat.

"Du ved, hvis du opdager, at noget andet end tidligere arbejde, den naturlige tendens er at begynde at lede efter dine fejl, " sagde Swaczyna.

Men efter lidt gravning, det nye nummer begyndte at ligne det rigtige. New Horizons-målingerne passer bedre med observationer baseret på fjerne stjerner. Ulysses målinger, på den anden side, havde en mangel:de blev gjort meget tættere på Solen, hvor pickup-ioner er sjældnere og målinger mere usikre.

"Observationerne af den indre heliosfære, der opsamler ioner, gennemgår milliarder af miles af filtrering, " sagde Christian. "Da er det meste af vejen derude, hvor New Horizons er, gør en kæmpe forskel."

Med hensyn til de kombinerede Ulysses/Voyager-resultater, Swaczyna bemærkede, at et af tallene i beregningen var forældet, 35 % lavere end den nuværende konsensusværdi. Genberegning med den aktuelt accepterede værdi gav dem et omtrentligt match med New Horizons-målingerne og 2001-undersøgelsen.

"Denne bekræftelse af vores gamle, næsten glemt resultat kommer som en overraskelse, sagde Arik Posner, forfatter til undersøgelsen fra 2001 ved NASAs hovedkvarter i Washington, D.C. "Vi troede, at vores ret simple metode til at måle afmatningen af ​​solvinden var blevet overvundet af mere sofistikerede undersøgelser udført siden, men ikke sådan."

Et nyt anlæg af jorden

At gå fra 85 atomer i en liter mælk til 120 virker måske ikke af meget. Men i en modelbaseret videnskab som heliofysik, en justering af et tal påvirker hvert andet.

Det nye skøn kan hjælpe med at forklare et af de største mysterier inden for heliofysik i de sidste par år. Ikke længe efter at NASA's Interstellar Boundary Explorer eller IBEX-mission returnerede sit første komplette datasæt, videnskabsmænd bemærkede en mærkelig stribe af energiske partikler, der kom fra den forreste kant af vores heliosfære. De kaldte det "IBEX-båndet."

"IBEX-båndet var en stor overraskelse - denne struktur ved kanten af ​​vores solsystem en milliard miles bred, 10 milliarder miles lang, som ingen vidste var der, " sagde Christian. "Men selvom vi udviklede modellerne for, hvorfor det var der, alle modellerne viste, at det ikke burde være så lyst, som det er."

"Den 40% højere interstellare tæthed observeret i denne undersøgelse er absolut kritisk," sagde David McComas, professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University, hovedefterforsker for NASAs IBEX-mission og medforfatter til undersøgelsen. "Dette viser ikke kun, at vores sol er indlejret i en meget tættere del af det interstellare rum, det kan også forklare en væsentlig fejl i vores simuleringsresultater sammenlignet med de faktiske observationer fra IBEX."

Mest af alt, selvom, resultatet giver et forbedret billede af vores lokale stjernekvarter.

"Det er første gang, vi har haft instrumenter til at observere pickup-ioner så langt væk, og vores billede af det lokale interstellare medium matcher dem fra andre astronomiske observationer, " sagde Swaczyna. "Det er et godt tegn."