Vad händer när solvinden plötsligt börjar blåsa betydligt hårdare? Enligt två färska studier, gränserna för hela vårt solsystems ballong utåt – och en analys av partiklar som studsar tillbaka från dess kanter kommer att avslöja dess nya form.

I slutet av 2014 NASAs rymdfarkost upptäckte en betydande förändring i solvinden. För första gången på nästan ett decennium, solvindtrycket – ett kombinerat mått på dess hastighet och densitet – hade ökat med cirka 50 procent och förblev så i flera år därefter. Två år senare, Interstellar Boundary Explorer, eller IBEX, rymdfarkoster upptäckte det första tecknet på efterdyningarna. Solvindspartiklar från tryckökningen 2014 hade nått kanten av heliosfären, neutraliserade sig själva, och sköt hela vägen tillbaka till jorden. Och de hade en historia att berätta.

I två senaste artiklar, forskare använde IBEX-data tillsammans med sofistikerade numeriska modeller för att förstå vad dessa studsande atomer kan berätta för oss om den utvecklande formen och strukturen hos vår heliosfär, den gigantiska bubblan uthuggen av solvinden.

"Resultaten visar att ökningen av solvindtrycket 2014 redan har fortplantat sig från solen till den yttre heliosfären, omvandla och utvidga vår heliosfärs gränser i deras närmaste riktning, sa David McComas, huvudutredaren för IBEX-uppdraget vid Princeton University i Princeton, New Jersey. "IBEX-data som strömmar in under de närmaste åren kommer att låta oss kartlägga expansionen och utvecklingen av strukturen för de andra delarna av heliosfärens yttre gränser."

Från solen till solsystemets utkant – och tillbaka I kärnan av berättelsen finns energiska neutrala atomer – högenergipartiklar som produceras i själva kanten av vårt solsystem.

När solvinden strömmar ut från solen med överljudshastigheter, det blåser upp en bubbla som kallas heliosfären. Heliosfären omsluter alla planeter i vårt solsystem och mycket av utrymmet bortom dem, skiljer vår sols domän från den interstellära rymden.

Men solvindens färd från solen är ingen smidig resa. På väg till yttersta kanten av vår heliosfär, känd som heliopaus, solvinden passerar genom distinkta lager. Den första av dessa är känd som uppsägningschocken.

Innan du klarade uppsägningschocken, solvinden expanderar snabbt, i stort sett obehindrat av yttre material.

"Men vid uppsägningschocken, ungefär 9,3 miljarder miles från oss i alla riktningar, solvinden avtar abrupt. Bortom denna punkt fortsätter den att röra sig utåt, men det är mycket varmare, sa Eric Zirnstein, huvudförfattare till en av tidningarna på Princeton.

Väl efter uppsägningschocken, solvindspartiklar kommer in i en speciell limbozon känd som heliosheath. Även om avslutningschocken är i huvudsak sfärisk, Heliosfärens kanter tros beskriva mer av en båge runt solen när den rör sig genom rymden - närmare solen mot fronten, och sträcker sig långt bakom den, inte olikt en komet med svans. Längs dessa gränser, solvindspartiklar blandas med partiklar från det interstellära rymden. Kollisioner är oundvikliga:de heta, elektriskt laddade solvindspartiklar slår in i den långsammare, kallare neutrala atomer från det interstellära rymden, stjäla en elektron och själva bli neutrala.

"Därifrån reser de ballistiskt genom rymden, och några tar sig hela vägen tillbaka till jorden, " sade Zirnstein. "Dessa är de energiska neutrala atomerna som IBEX observerar."

I slutet av 2016 när IBEX:s energiska neutrala atomavbildare började fånga en ovanligt stark signal, Professor McComas och hans team gav sig ut för att undersöka orsaken. Deras resultat rapporteras i en artikel publicerad den 20 mars, 2018, i Astrofysiska tidskriftsbrev .

De energiska neutrala atomerna kom från cirka 30 grader söder om den interstellära vindriktningen, där helioshöljet var känt för att vara närmast jorden.

För att kvantifiera dess koppling till 2014 års solvindtrycksökning, McComas och hans team övergick till numeriska simuleringar, räkna ut hur en sådan tryckökning skulle kunna påverka de energiska neutrala atomerna som IBEX observerar.

"Dessa typer av simuleringar involverar en modell för fysiken, som sedan förvandlas till ekvationer, som i sin tur löses på en superdator, sade Jacob Heerikhuisen, en medförfattare på båda artiklarna vid University of Alabama i Huntsville.

Använda datormodeller, laget simulerade en hel heliosfär, skakade den med en ökning av solvindtrycket, och låt det köra siffrorna. Simuleringen avslutade en historia som endast antyddes av data.

Enligt simuleringen, när solvinden träffar termineringschocken skapar den en tryckvåg. Den tryckvågen fortsätter till kanten av heliosfären och backar delvis bakåt, tvingar partiklar att kollidera i den (nu mycket tätare) helioshedmiljön som den just passerat. Det var där de energiska neutrala atomerna som IBEX observerade föddes.

Simuleringarna gav ett övertygande fall:IBEX observerade verkligen resultaten av 2014 års solvindtrycksökning, mer än två år senare.

Men simuleringen slutade inte där. Den avslöjade också att ökningen av solvindtrycket 2014 skulle över tid, fortsätta att spränga heliosfären ytterligare. Tre år efter ökningen av solvindtrycket – när artikeln publicerades – uppsägningschocken, den inre bubblan i heliosfären, bör expandera med sju astronomiska enheter, eller sju gånger avståndet från jorden till solen. Heliopausen, den yttre bubblan, bör expandera med två astronomiska enheter, med ytterligare två året därpå.

Kortfattat, genom att höja trycket från solvinden, vår heliosfär idag är större än den var för bara några år sedan.

Heliosfärens nya form

McComas och kollegor studerade de allra första tecknen på 2014 års solvindtrycksökning. Men att titta på data under de kommande åren kan berätta ännu mer - den här gången om den utvecklande formen på vår heliosfär.

"Det har gjorts många studier, några från ett tag sedan, förutsäga hur heliosfärens form ska se ut, "Zirnstein, tidningens huvudförfattare, rapporterar. "Men det är fortfarande mycket uppe för debatt i modelleringssamhället. Vi hoppas att ökningen av solvindtrycket 2014 kan hjälpa till med det."

Med samma data och simuleringar som användes i föregående artikel, Zirnstein och kollegor körde klockan framåt, modellering av heliosfären åtta år efter ökningen av solvindtrycket 2014. Resultaten beskriver inte bara det förflutna, men också modellera framtiden. Tidningen publicerades den 30 maj, 2018, i The Astrophysical Journal.

"Vad vi tror att vi borde se inom en snar framtid är en ring, expanderar över himlen, markerar förändringen i energetiskt neutralt atomflöde över tiden, " sade Zirnstein. "Denna ring expanderar bort från den första kontaktpunkten i den yttre heliosfären, mot heliotailens riktningar."

Även om den första signalen som upptäcktes av IBEX 2016 var en hel cirkel, det kommer inte att förbli så. När solvinden 2014 når punkter i heliopausen längre och längre bort, de tar längre tid att studsa tillbaka, som ett eko från en långt borta vägg. Heliosfärens rundade form gör att detta eko reflekteras tillbaka i form av en ring.

Men den viktigaste upptäckten kom från att titta på ringen när den expanderar.

I sin simulering, Zirnstein och kollegor fann att den exakta hastigheten med vilken ringen expanderar berodde delvis på avstånden mellan de olika skikten i heliosfären:termineringschocken, heliopausen, och den del av helioshöljet där de energiska neutralerna producerades. Zirnstein insåg att han hade hittat ett nytt sätt att mäta heliosfärens storlek och form.

"Vi skulle kunna uppskatta avstånden till heliosfärens olika gränser bara genom att titta på denna ring som förändras över tiden på himlen, sa Zirnstein.

Zirnstein och kollegor använde sin simulerade heliosfär för att köra en teststudie. Genom att mäta ringens expansionshastighet (och koppla in den i rätt ekvationer), de kunde exakt återge avstånden till nyckelstrukturer inom sin simulerade heliosfär. Eftersom de visste vad dessa avstånd var i sin simulering, de kunde kontrollera sitt arbete och validera att tekniken fick rätt svar och borde vara korrekt när den tillämpas på den verkliga heliosfären.

Deformiteter i ringen - avvikelser från en perfekt cirkel - kan också avslöja asymmetrier i heliosfärens övergripande form. "Det beror på hur symmetrisk eller asymmetrisk heliosfären är, ", tillade Zirnstein. "Om heliosfären var en idealisk kometform, ' ringen bör expandera symmetriskt över tiden. Men i verkligheten kommer det förmodligen inte att hända - vi får vänta och se vad IBEX säger till oss."

Zirnstein uttryckte entusiasm över möjligheten att lära sig heliosfärens verkliga form.

"Under de närmaste åren med mer IBEX-data, min förhoppning är att vi kan bygga en 3D-bild av heliosfärens form, sa Zirnstein.

Resultaten av dessa två studier har viktiga praktiska konsekvenser. "Att koppla samman förändringar i solen med energiska observationer av neutrala atomer kommer att hjälpa oss att förstå långsiktiga förändringar i de farliga förhållandena för rymdstrålningsmiljön - ett slags rymdklimat i motsats till rymdväder, " sa McComas. "När solvinden blåser mer och mindre hårt, och vår solbubbla expanderar och drar ihop sig, som direkt påverkar mängden kosmiska strålar som kan komma in i heliosfären, potentiellt äventyra astronauter på långvariga rymdfärder."

Men resultaten understryker också den otroliga kraften hos vår närmaste stjärna. Förändringar på solen, inklusive solvinden, har betydande konsekvenser som sträcker sig miljarder mil ut i rymden där, hittills, bara de två rymdfarkosterna Voyager har någonsin vågat sig. Med tekniker som energisk neutral atomavbildning, vi kan inte bara föreställa oss, men mät exakt dessa avlägsna delar av heliosfären – vårt hem i galaxen.