"Tredimensionella egenskaper hos den yttre heliosfären på grund av kopplingen mellan det interstellära och heliosfäriska magnetfältet. V. Bågvågen, Heliosfäriskt gränsskikt, Instabilitet, and Magnetic Reconnection" dök ursprungligen upp i augusti i år Astrofysisk tidskrift , en publikation av American Astronomical Society. Men tidningen, vars medförfattare inkluderar två forskare vid University of Alabama i Huntsville (UAH), har nyligen fått förnyad uppmärksamhet tack vare sina unika insikter om fysiska fenomen som uppstår vid heliosfärens gränssnitt.

Dr. Nikolai Pogorelov och Dr. Jacob Heerikhuisen är båda fakultetsmedlemmar vid institutionen för rymdvetenskap och forskare vid UAH:s Center for Space Plasma and Aeronomic Research, varav Dr Heerikhuisen fungerar som biträdande direktör. Deras tidigare samarbeten inkluderar, bland dussintals andra, medförfattare till artiklar om κ-fördelade protoner i solvinden och deras laddningsutbyteskoppling till energiskt väte och effekten av nya interstellära mediumparametrar på heliosfären och energiska neutrala atomer från den interstellära gränsen.

Mycket av deras arbete handlar om att lösa komplexa matematiska modeller av fysiska processer med hjälp av superdatorer, särskilt Blue Waters, som en del av National Science Foundations Petascale Computing Research Allocation Program. Dr Pogorelov, som fungerar som medlem i Blue Waters rådgivande kommitté för vetenskap och teknikteam, säger att han och hans medförfattare är tacksamma för de möjligheter som programmet ger.

För denna studie, forskarna minskade sitt fokus på heliopausen, gränsen mellan solvinden och det lokala interstellära mediet. Mer specifikt hoppades de kunna förklara observationsdata som erhållits från Voyager 1 och Voyager 2, NASAs rymdsonder som lanserades 1977, och Interstellar Boundary Explorer, en NASA-satellit som sköts upp 2008.

"Vi behövde öka nätupplösningen enormt, att "zooma in på" regionen nära heliopausen, " säger Dr Pogorelov, en stipendiat 2017 i American Physical Society. "Så vi använde adaptiv nätförfining i våra simuleringar av solvindens interaktion med det lokala interstellära mediet." Teamet använde också 3-D magnetohydrodynamiska plasma/kinetiska neutrala atomsimuleringar, och tillsammans gjorde dessa tekniker det möjligt för dem att visa att ett distinkt gränsskikt av minskad plasmadensitet och förstärkt magnetfält bör observeras på den interstellära sidan av heliopausen.

"Vi kunde skilja plasmadensitetsökningen över heliopausen från den ytterligare täthetsökningen i det heliosfäriska gränsskiktet, " säger han. "Och vi visade att det simulerade densitetsbeteendet i det heliosfäriska gränsskiktet stämmer väl överens med den uppmätta frekvensen av plasmavågor som detekteras i det lokala interstellära mediet av plasmavågsinstrumentet ombord på Voyager 1."

Generellt, plasmafrekvensen bör fortsätta att öka tills rymdfarkosten lämnar det heliosfäriska gränsskiktet. Dock, tidsberoende effekter som solcykeln kan resultera i perioder med nästan konstant plasmafrekvens, som i sin tur sedan blir ytterligare omkörda av den allmänna trenden med ökande täthet. Dr. Pogorelov och hans team hävdar att det heliosfäriska gränsskiktet inte är resultatet av plasmaanisotropi, som finns i plasmautarmningsskikt vid jordens magnetosfär; snarare, det beror på laddningsutbyte mellan neutrala H-atomer och protoner.

Ur det lokala interstellära mediets perspektiv, plasmadensiteten ökar när det lokala interstellära mediet närmar sig heliopausen tills det går in i det heliosfäriska gränsskiktet. "Inverkan av laddningsutbyte på kvantiteter framför och bakom en möjlig stöt inuti en bågvåg upptäcktes för några decennier sedan, " säger han. "Men vi har kunnat urskilja bidraget från en chockrelaterad ökning till en mer gradvis ökning inuti en så kallad bågvåg." Resultaten som producerades av modellen som teamet använde överensstämde med fjärr- och situobservationer från IBEX, Ulysses, och rymdfarkosten Voyager. "Det har visat sig att bidraget från en subchock vanligtvis är litet jämfört med den totala täthetsökningen för realistisk solvind och lokala interstellära mediumegenskaper."

Modellens simuleringar kunde också visa att det inte finns något "hopp" i magnetfältets storlek över heliopausen genom att reproducera magnetfältsvektorns rotation över heliopausen, i enlighet med Voyager I-observationer. "Heliopausens instabila beteende visar att Voyager 1 kan ha korsat de på varandra följande regionerna ockuperade av solvinden och lokalt interstellärt mediumplasma på väg in i det interstellära rymden, " säger Dr. Pogorelov. "Detta scenario överensstämmer kvalitativt med Voyager I-observationerna av ett antal på varandra följande ökningar och minskningar av det galaktiska kosmiska strålflödet."

Studiens ultimata framgång var dess förmåga att visa, för första gången i globala simuleringar, att störningen av heliopausen kan bero på instabiliteten i rivläget, eventuellt åtföljande magnetisk återinkoppling. "Vi har visat att observationerna av Voyager 1 och 2 i den inre heliosfären mellan den heliosfäriska avslutningschocken och heliopausen överensstämmer med förlusten av det heliosfäriska magnetfältet i de regioner som svepas av det globala heliosfäriska strömskiktet, som kan tolkas som den magnetiska ekvatorn för det heliosfäriska magnetfältet."

Med denna kunskap i hand, forskarna ser nu framåt mot nästa fas av sin studie. "Vårt framtida arbete är inriktat på att undersöka effekten av solvind och lokal interstellär mediumturbulens på magnetisk återkoppling och instabilitet nära heliopausen, " säger Dr. Pogorelov. "I synnerhet, vi vill använda mätningar av turbulenta egenskaper från Voyager 1 och Voyager 2, som är tillgängliga med mycket hög noggrannhet, och använda dessa data i simuleringar. Vi kan också skapa en modell som beskriver turbulensens egenskaper." Resultatet, han fortsätter, "kommer att vara en kombination av observation, teori, och simulering" – och det borde utan tvekan ge lika spännande insikter om heliopausen.