Under nästa decennium, NASA siktar på att skjuta upp mänskligheten mot månen och vidare till Mars – ett monumentalt steg i besättningens rymdresor. En sådan resa är fylld av utmaningar och faror, inte olikt dem som de första upptäcktsresandena möttes av att korsa havet. Dock, istället för stormiga hav, dessa upptäcktsresande kommer att segla bland farorna med heliosfären – den magnetiska miljön som emanerar ut från solen och omfattar solsystemet. Riskerna med att resa genom detta rike beror i slutändan på hur väl vi kan förstå dynamiken däri.

"För att komma till Mars, rymdfarkoster och människor kommer att vara nedsänkta i heliosfären och kommer att behöva kämpa med det, sa Terry Onsager, programforskare vid NASA:s högkvarter i Washington, D.C. "Den miljön kan vara hård, men en vi är redo för."

För att säkert navigera i heliosfären, NASA-forskare och uppdrag har kartlagt regionen i årtionden. Senaste resultat, från nära jorden till långt över solsystemet, hjälper oss att skapa en säker väg för framtida rymdfarare utomlands.

Håll dig säker på väg till Mars

När astronauter lämnar den skyddande magnetiska bubblan runt jorden – magnetosfären – utsätts de för skadlig energipartikelstrålning från solen. Ständigt strömmar ut från solytan, dessa solenergipartiklar, som de är kända, kan nå nivåer som kan skada elektronik och skada levande vävnad i rymden.

"Med jämna mellanrum, solutbrott på solens yta kan generera enorma ökningar av de energiska partikelstrålningsmiljöerna, och när det händer, system måste kunna hantera det, sa Onsager.

Rymdfarkoster designas med strålningshärdad utrustning och säkra områden för astronauterna att gömma sig under solstormar - som kan vara timmar till dagar. Utöver dessa skyddspapper, att ha ett tillförlitligt varningssystem är avgörande för astronautsäkerheten.

NASA:s Solar Dynamics Observatory—SDO—har hållit konstant vaken på solen i åtta år. Bilderna som den tar i synligt och ultraviolett ljus tillåter forskare att kontinuerligt övervaka ytförhållanden och förstå vilken aktivitet som kan rulla precis nedanför, redo att dyka upp. När ett utbrott ses på solens yta, Astronauter kan vanligtvis ges ungefär en halvtimmes förvarning innan den inkommande strålningen når toppnivåer. Även om detta ger astronauterna lite tid att vidta åtgärder, i slutändan behövs förbättringar i rymdväderprognoser för att ge mer avancerad varning.

Förbättring av rymdväderprognoser

Att förutsäga rymdväder – den böljande solvinden och solenergipartiklar som den bär på – är inte olikt terrestra väderprognoser. Det börjar med att observera solen - vilket SDO och andra NASA heliofysikuppdrag gör dygnet runt. Data om solens aktivitet matas sedan in i fysikbaserade datormodeller som gör statistiska förutsägelser om sannolikheten för ett solutbrott. Detta gör det sedan möjligt för forskare att varna när en sådan händelse kan inträffa.

"Prognoser rymdväderfenomen, oavsett om det är på jorden eller i rymden, är väldigt, väldigt komplex, " sa Jingnan Guo, heliofysiker vid universitetet i Kiel i Tyskland. "Vi måste överväga fjäll från sol-jord-avståndet - cirka 93 miljoner miles, där vågor och utbrott utbreder sig över rymden - till under några meter, i vilken skala du ser partiklarnas turbulens och kinematik."

Från och med nu, vår förståelse av den komplexa dynamiken i heliosfären är ofullständig, göra förutsägelser svåra; de bästa modellerna är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna. Forskare som modellerar rymdväder är beroende av NASA:s många heliofysikuppdrag för att förbättra sina prognoser.

"Om du bara har en enda punktobservation, det är väldigt svårt att modellera eller till och med, ibland, tolka uppgifterna. Om du har flera poäng, än du kan begränsa din modell och se till att de underliggande teorierna är kapabla att reproducera den händelsen, sa Leila Mays, en rymdväderforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Förra året, en stark solenergipartikelhändelse observerades av flera NASA-uppdrag. Resultaten, som registrerar den första partikelhändelse som setts på marknivå på både Mars och jorden, publicerades nyligen i tidskriften Rymdväder . I denna händelse, högenergipartiklar accelererade av en intensiv chock driven av en koronal massutstötning - en våldsam explosion på solytan som spyr ut gas och energirika partiklar - upptäcktes först när de lämnade solen med SDO. Forskarna använde markbaserade instrument och modeller för att spåra hur material rörde sig genom heliosfären och för att mäta deras intensitet när de nådde jorden och Mars.

Sådana flerpunktsobservationer är viktiga för att förstå hur partiklar som sprängs av solen färdas genom solsystemet. Denna kunskap om hur strålning sprider sig hjälper i slutändan till att förbättra modeller – vilket ger astronauter mer avancerad varning om potentiellt farliga rymdväderhändelser.

"Även om detta är den största solenergipartikelhändelse vi har observerat på Mars yta, det skulle inte ha varit farligt för astronauter där, sa Guo, som har skrivit tidningen. "Dock, mycket större solenergipartikelhändelser är möjliga och denna händelse hjälper oss att förstå hur det kan se ut."

Forskare kommer att fortsätta att studera rymdväder från jorden med markbaserade instrument såväl som NASA:s heliofysikflotta av rymdfarkoster, men framtida uppdrag kommer att ge nya synpunkter.

"I sista hand, mer data behövs och vi hoppas få några från Parker Solar Probe, eftersom det går så nära solen, där dessa skadliga partiklar accelereras till höga energier, " sa Mays. "Vi har antaganden om hur denna acceleration fungerar som går in i modellerna, men mätningar från Parker skulle verkligen hjälpa till att förbättra våra teorier."

Redan, Strålningsbedömningsdetektorinstrumentet ombord på Curiosity Rover har mätt högenergistrålning på Mars-ytan – data som hjälper forskare att förstå hur mycket strålning människor kommer att utsättas för när de besöker den röda planeten. NASA och NOAA:s gemensamma Geostationary Operational Environmental Satellite Program har mätt energipartikelmätningar för nuvarande astronauter sedan 1980-talet. Instrument för att studera partikelstrålning kommer också att finnas ombord på framtida flygningar och Lunar Orbital Platform-Gateway, den föreslagna utposten att kretsa runt månen.

"Framtida djupgående mänskliga utforskningsfordon ger inte bara möjligheten att skydda besättningen ombord, men samtidigt göra nya vetenskapliga experiment, sa Antti Pulkkinen, forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "De kommer att tjäna detta dubbla syfte."

Dessa mätningar kommer att gynna mer än bara rymdväderprognoser. De kommer också att hjälpa oss att förstå saker närmare hemmet – som månen.

Ny insikt om månen

Att återvända till månen kommer utan tvekan att låsa upp nya dörrar för att förstå vår närmaste granne i rymden. Trots allt, det var inte förrän vi först trampade foten på månen som vi kunde förstå dess ursprung. Idag upptäcker vi fortfarande nya saker och NASA-uppdrag som Acceleration, Återanslutning, Turbulens, och Elektrodynamik för månens interaktion med solen – ARTEMIS – avslöjar nya insikter om månens tunna atmosfär.

Månen är, faktiskt, inte luftlös. Den har ett tunt atmosfäriskt lager - exosfären - som huvudsakligen består av väte, helium, neon och argon, sträcker sig cirka hundra mil över ytan. Blandat på den övre kanten av exosfären finns ett tunt och tillfälligt sekundärt lager – jonosfären – skapat av solljus som aktiverar atomer i exosfären.

"Jonosfären är en miljon gånger mindre tät än jonosfären på jorden så det är verkligen svårt att direkt mäta de laddade partiklarna, sa Jasper Halekas, ARTEMIS-forskare vid University of Iowa i Iowa City, och huvudförfattare på en ny studie av månens jonosfär.

Genom att använda en ny teknik för att analysera data från ARTEMIS, Halekas och hans team kunde mäta jonosfären direkt. De noterade att jonosfären förstorades varje fullmåne och blev kopplad till jordens jonosfär - vilket betyder att laddade partiklar sannolikt kan resa fram och tillbaka mellan de två kropparnas jonosfärer.

"Närvaron av månen kan faktiskt påverka jordens magnetosfär, " sa Halekas. "Det kan faktiskt störa den lokala miljön."

Nya uppdrag till månen skulle göra det möjligt att studera jonosfären och exosfären från ytan, ger oss en bättre förståelse för den kopplingen och hur vår atmosfär kan vara kopplad till månens.

De nya resultaten kan också hjälpa oss att bättre förstå hur atmosfärer skapas och upprätthålls på små kroppar.

"Samma teknik kan tillämpas på många andra kroppar i solsystemet, som borde ha en svag atmosfär som månens, ", sa Halekas. "Detta skulle inkludera:månar runt de yttre planeterna, stora kroppar i asteroidbältet, saker i Kuiperbältet, och till och med föremål utanför solsystemet."

Kör iväg med självförtroende

Det är svårt att förutsäga de upptäckter som kommer att göras när mänskligheten resor till månen och Mars, även om de säkert kommer att vara otaliga. Vad som är säkert är huvudrollen heliofysik kommer att spela för att hjälpa oss att komma dit. Att studera heliofysik och rymdväder är ovärderligt för att skydda våra astronauter och tillgångar i rymden. Och, otvivelaktigt, denna resa genom solsystemet kommer att hjälpa oss att upptäcka nya upptäckter om heliosfären vi kallar hem, gör rymdens vägar säkrare för framtida generationer av rymdfarare.