Kortlægning af den bedste rute for et rumfartøj, der rejser ud over solens indflydelsessfære

Heliosfæren – lavet af solvind, soltransienter og det interplanetariske magnetfelt – fungerer som vores solsystems personlige skjold og beskytter planeterne mod galaktiske kosmiske stråler. Disse ekstremt energirige partikler accelererede udad fra begivenheder som supernovaer og ville forårsage en enorm mængde skade, hvis heliosfæren ikke for det meste absorberede dem.

I øjeblikket kan det videnskabelige samfund ikke nå til enighed om grænserne eller konturerne af dette beskyttede rum, og de udforsker missionskoncepter for en interstellar sonde, der rejser ud over solens indflydelsessfære for at besvare disse spørgsmål.

En University of Michigan-ledet undersøgelse offentliggjort i Grænser i astronomi og rumvidenskab giver anbefalinger til at maksimere videnskabelige målinger for bedre at forstå størrelsen og formen af ​​vores hjem i heliosfæren udefra.

"Uden sådan en mission er vi som guldfisk, der forsøger at forstå fiskeskålen indefra," sagde Sarah A. Spitzer, en postdoc-stipendiat ved U-M og førsteforfatter af undersøgelsen.

"Vi vil gerne vide, hvordan heliosfæren beskytter astronauter og liv generelt mod skadelig galaktisk stråling, men det er svært at gøre, når vi stadig ikke engang kender formen på vores skjold," siger Marc Kornbleuth, en forsker ved Boston University. og medforfatter til undersøgelsen.

Ifølge undersøgelsen er den bedst mulige udgangsrute gennem siden af ​​heliosfærens ende.

Heliosfærens interaktion med det lokale interstellare medium - et materiale lavet af plasma, støv og neutrale partikler, der fylder rummet mellem astrosfærerne - danner formen på vores heliosfære og påvirker sammensætningen af ​​rummiljøet i solsystemet, inklusive nær Jorden . I øjeblikket forudsiger modeller, at heliosfæren kan danne former, herunder sfæriske, strakte og halvmåneformede.

Ingen endelig bestemmelse af heliosfærens form kan foretages uden yderligere målinger uden for heliosfæren.

"En fremtidig interstellar sondemission vil være vores første mulighed for virkelig at se vores heliosfære, vores hjem, udefra og bedre forstå dens plads i det lokale interstellare medium," sagde Spitzer.

Indtil videre er rumfartøjerne Voyager 1 og 2 de eneste missioner, der potentielt har forladt heliosfæren. Nu, 46 år efter dets lancering i 1977, er rumfartøjet langt ud over dets planlagte missionslevetid og kan ikke længere levere fuldstændige plasmamålinger, der er nødvendige for at forbedre vores forståelse af heliosfærens grænser.

En fremtidig interstellar sondemission har til formål at rejse ud over heliosfæren for at indsamle prøver fra det lokale interstellare medium. En missionskonceptrapport fra 2021, der involverede samarbejdet mellem over 1.000 videnskabsmænd, diskuterede nyttelasten, løfteraketten og de tekniske aspekter af forskellige baner. Denne rapport antager dog, at en sondebane i nærheden af ​​45 grader fra heliohalens næse, eller forsiden af ​​solens retningsbestemte bevægelse, er optimal.

For at udfordre denne antagelse analyserede forskerholdet den videnskabelige værdi for seks mulige interstellare sondebaner, der spænder fra næse- til haleretninger. Forskerne konkluderede, at en bane, der skærer den heliosfæriske flanke mod haleretningen, ville give det bedste perspektiv på heliosfærens form og maksimere videnskabelige resultater.

"Hvis du vil finde ud af, hvor langt tilbage dit hus strækker sig, er det sandsynligvis ikke din bedste mulighed at gå ud af hoveddøren og tage et billede fra fortovet. Den bedste måde er at gå ud af sidedøren, så du kan se hvor længe det er forfra og bagfra," sagde Kornbleuth.

Yderligere foreslår modeller, at interstellar plasma kan injiceres direkte ind i heliosfæren gennem halen, hvilket giver mulighed for at prøve interstellar plasma både inden for og uden for vores heliosfære. For bedre at forstå heliosfærens interaktion med det interstellare medium anbefaler forskerne også, at videnskabelige målinger skal indsamles på fremtidige missioner til heliosfærens fjerne kanter.

"Denne analyse krævede meget vedholdenhed. Den startede i det små og voksede til en stor ressource for samfundet," sagde Susan Lepri, professor i klima- og rumvidenskab og ingeniørvidenskab ved U-M og den sidste forfatter til undersøgelsen.

På sin 46-årige rejse har Voyager-rumfartøjet rejst omkring 163 astronomiske enheder (15,2 milliarder miles) væk fra Jorden. Når man ser fremad, vil en fremtidig interstellar sonde blive designet til en 50-årig mission beregnet til at rejse omkring 400 astronomiske enheder og kan endda vare til omkring 1.000 astronomiske enheder, hvilket giver et hidtil uset billede af vores heliosfære og det interstellare medium udenfor.

Flere oplysninger: Sarah A. Spitzer et al., Komplementære interstellare detektioner fra heliohalen, Grænser i astronomi og rumvidenskab (2024). DOI:10.3389/fspas.2023.1163519

Leveret af University of Michigan College of Engineering