Långt bortom planeternas banor finns heliosfärens disiga konturer, den magnetiska bubblan i rymden som vi kallar hem. Denna flexibla kosmiska bubbla sträcker sig och krymper som svar på solens flämtningar och suckar.

Nu, för första gången, ett team av forskare ledda av Princetons David McComas har samlat in en hel solcykel av data från NASA:s rymdfarkost IBEX, som de använde för att studera hur heliosfären förändras över tid. Solcykler varar i ungefär 11 år, när solen pendlar från säsonger med hög till låg aktivitet och tillbaka igen. Forskare var angelägna om att använda IBEX:s 11-åriga rekord för att se förändringarna vid kanten av heliosfären. Resultaten visar heliosfärens form - en fråga som diskuterats under de senaste åren - och antyder processer bakom en av dess mest förbryllande egenskaper. Dessa fynd, tillsammans med en nyligen finjusterad datamängd, publicerades i The Astrophysical Journal Supplements den 10 juni.

"Det är detta mycket lilla uppdrag, sa McComas, uppdragets huvudutredare och professor i astrofysiska vetenskaper. STENBOCK, förkortning för Interstellar Boundary Explorer, är storleken på ett bussdäck. "Det har varit enormt framgångsrikt, varar mycket längre än någon trodde. Vi har tur nu som har en hel solcykel av observationer."

Kartläggning av solsystemets kant, en partikel i taget

Heliosfärens bubbla är fylld med solvinden, det konstanta flödet av laddade partiklar från solen. Solvinden rusar ut åt alla håll, en miljon miles per timme, tills den stöter mot det interstellära mediet, vindar från andra stjärnor som fyller utrymmet mellan dem.

När solen vadar genom det interstellära mediet, det genererar en het, tät våg ungefär som en båts bogvåg. Vår heliosfärs kosmiska omgivning är känd som det lokala ludet, ett moln av superheta gaser. Där solvinden möter det lokala ludet är kanten av heliosfären, kallas heliopaus. Strax innanför det ligger ett turbulent område som kallas helioshöljet.

IBEX fokuserar på små partiklar som kallas energiska neutrala atomer som skapas när de är varma, laddade partiklar som de i solvinden kolliderar med kalla neutrala partiklar som de som strömmar in från det interstellära rymden. Zippy solvindspartiklar kan rycka elektroner från brinnande interstellära atomer, att själva bli neutrala.

Det tar ungefär ett år för en vindpust av solvind att rasa förbi planeterna, förbi asteroidbältet och Kuiperbältet, till kanten av heliosfären – en resa 100 gånger avståndet mellan solen och jorden. Längs vägen, solvinden plockar upp joniserade atomer av interstellära gaser som har slingrat sig in i heliosfären. Solvinden som anländer till kanten är inte samma vind som lämnade solen ett år tidigare.

Solvindspartiklar kan ägna ytterligare sex månader åt att ströva runt i helioshöljets kaos, klyftan mellan heliosfärens två yttre gränser. Oundvikligen, vissa kolliderar med interstellära gaser och blir energiska neutrala. Det tar de neutrala partiklarna närmare ytterligare ett år för hemresan, korsar utrymmet från kanten av heliosfären tillbaka till IBEX - och det är bara om partiklarna råkar vara på väg i exakt rätt riktning. Av alla bildade neutrala partiklar, endast ett fåtal når faktiskt till IBEX. Hela resan tar två till tre år för partiklarna med högst energi i IBEX:s observationsområde, och ännu längre vid lägre energier eller mer avlägsna regioner.

IBEX drar fördel av det faktum att neutrala atomer som dessa inte avleds av solens magnetfält:Färska neutrala partiklar binds bort från kollisioner i nästan en rak linje.

IBEX undersöker himlen efter partiklar, noterar deras riktning och energi. Rymdfarkosten upptäcker bara ungefär en varannan sekund. Resultatet är en långsamt byggande karta över den interstellära gränsen, skapad utifrån samma princip som en fladdermus använder för att ekolokalisera sin väg genom natten:övervaka inkommande signaler för att stadigt lära sig mer om sin omgivning. Genom att studera var de neutrala kommer ifrån, och när, IBEX kan spåra de avlägsna gränserna för vår heliosfär.

"Vi är så lyckliga att observera detta inifrån heliosfären, " sa Justyna Sokół, som var NAWA Bekker Program Visiting Fellow vid Princeton 2019 till 2020.

Med hjälp av IBEX:s 11-plus år av data, McComas och hans team observerade den ständigt föränderliga solvinden. De såg att när det blåser, heliosfären blåser upp som en ballong, och neutrala partiklar svallar vid ytterkanterna. När vinden lugnar sig, ballongen drar ihop sig; neutrala partiklar minskar. Den efterföljande gungbrädan av neutrala partiklar, forskarna rapporterade, ekade konsekvent två till tre år efter förändringarna i vinden – vilket speglar deras resa till kanten av solsystemet och tillbaka.

"Det tar så många år för dessa effekter att nå kanten av heliosfären, " sa Jamey Szalay, en associerad forskare i astrofysik och en medlem av IBEX-teamet. "För att vi har så mycket data från IBEX kan vi äntligen göra dessa långsiktiga korrelationer."

Att forma heliosfären

Från 2009 till 2014, vinden blåste ganska lågt och stadigt, en mild bris. Heliosfären drog ihop sig. Sedan kom en överraskningsdyning i solvinden, som om solen drog en stor suck. I slutet av 2014 NASA-rymdfarkoster som kretsar runt jorden upptäckte ökningen av solvindtrycket med cirka 50 procent - och den har varit hög sedan dess.

Två år senare, den böljande solvinden ledde till en uppsjö av neutrala partiklar i helioshöljet. Ytterligare två år senare, de fyllde det mesta av heliosfärens näsa innan de kröp över heliosfärens nord- och sydpoler.

Dessa förändringar var inte symmetriska. Varje observerad bula spårade egenskaperna hos heliosfärens form. Forskarna var förvånade över hur tydligt de såg bågvågen från solvinden som tryckte ut heliopausen.

"Tiden och de neutrala partiklarna har verkligen målat avstånden i form av heliosfären för oss, sa McComas, som också är Princetons vicepresident för Princeton Plasma Physics Laboratory.

IBEX har fortfarande inte observerat effekterna av denna kosmiska suck från heliosfärens bakre ände, heliotailen. Det tyder på att bakändan är mycket längre bort från solen än framsidan - dessa partiklar är på en mycket längre resa. Kanske blåser solvinden fortfarande mot svansen, eller kanske neutrala partiklar redan är på väg tillbaka. Under de kommande åren, IBEX-teamet kommer att hålla utkik efter dem.

"Naturen satte upp detta perfekta experiment för att vi bättre skulle förstå denna gräns, " sa Szalay. "Vi fick se vad som händer när den här stora saken - solvindens tryck - förändras."

Heliosfärens form har varit en debattfråga mellan forskare de senaste åren. Vissa har hävdat att vår bubbla i rymden är lika sfärisk som en jordglob; andra föreslog att det är närmare en croissant. Men i denna studie, McComas sa, IBEX-data visar tydligt att heliosfärens svar på solvindens tryck var asymmetrisk - så heliosfären själv måste också vara asymmetrisk, format något som en komet. Solen ligger nära framsidan, och när det susar genom rymden, heliotailspåren betydligt längre bak.

Ta itu med IBEX största pussel

IBEX:s många år av data har också fört forskare närmare en förklaring till en av heliosfärens mer förbryllande egenskaper, känt som IBEX-bandet – en av IBEX:s största upptäckter. Tillkännagav 2009, det syftar på en stor, diagonal sträng av energiska neutraler, målade tvärs över heliosfärens framsida. Det har länge förbryllat forskare:Varför skulle någon del av gränsen vara så olik resten?

Över tid, IBEX har indikerat att det som bildar bandet är mycket annorlunda än det som bildar resten av den interstellära himlen. Det formas av riktningen för det interstellära magnetfältet. Men hur produceras bandpartiklar? Nu, forskarna rapporterar att det är mycket troligt att en sekundär process är ansvarig, vilket gör att resan för en viss grupp av energiska neutrala partiklar ungefär fördubblas.

Berättelsen går så här:Efter att ha blivit energiska neutrala, istället för att rikoschettera tillbaka mot IBEX, denna grupp av partiklar sträcker sig i motsatt riktning, över heliopausen och in i det interstellära rymden. Där, de får en smak av Local Fluff, kryssar tills några oundvikligen kolliderar med passerande laddade partiklar, förlorar en elektron igen och blir bunden till det omgivande magnetfältet. Ytterligare två år eller så går, och de laddade partiklarna kolliderar ännu en gång med långsammare kamrater, stjäl elektroner som de har gjort förut. Efter denna korta migration bortom heliosfären, de två gånger födda energiska neutralerna kommer så småningom in igen, skyndar tillbaka mot hemmet.

Utökade IBEX-data hjälpte forskarna att koppla bandet till partiklarnas långa interstellära tur. Partiklar som bildar bandet har färdats omkring två år mer än resten av de neutrala partiklarna som observerats. När det kom till solvindspiken, bandet tog ytterligare två år efter resten av heliosfären innan det började reagera.

Vida överstiger sitt ursprungliga uppdrag på två år, IBEX kommer snart att få sällskap av ett annat NASA-uppdrag, IMAP – förkortning för Interstellar Mapping and Acceleration Probe, för vilken McComas också fungerar som huvudutredare. Uppdraget är planerat att starta i slutet av 2024.

"IMAP erbjuder ett perfekt tillfälle att studera, with great resolution and sensitivity, what IBEX has begun to show us, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.