En uppdaterad modell föreslår formen på solens bubbla av påverkan, heliosfären (sett i gult), kan vara en tömd croissantform, snarare än den långsvansade kometformen som föreslagits av annan forskning. Kredit:Opher, et al.
Forskare har utvecklat en ny förutsägelse av formen på bubblan som omger vårt solsystem med hjälp av en modell utvecklad med data från NASA-uppdrag.
Alla planeter i vårt solsystem är inneslutna i en magnetisk bubbla, huggen ut i rymden av solens ständigt utströmmande material, solvinden. Utanför denna bubbla finns det interstellära mediet – den joniserade gasen och magnetfältet som fyller utrymmet mellan stjärnsystemen i vår galax. En fråga som forskare har försökt svara på i åratal är om formen på denna bubbla, som färdas genom rymden när vår sol kretsar runt mitten av vår galax. Traditionellt, Forskare har tänkt på heliosfären som en kometform, med en rundad framkant, kallade näsan, och en lång svans som släpar efter.
Forskning publicerad i Natur astronomi i mars och med på tidningens omslag för juli ger en alternativ form som saknar denna långa svans:den tömda croissanten.
Heliosfärens form är svår att mäta inifrån. Den närmaste kanten av heliosfären är mer än tio miljarder miles från jorden. Endast de två rymdfarkosterna Voyager har direkt mätt denna region, lämnar oss med bara två punkter av marksanningsdata om heliosfärens form.
Viss forskning tyder på att heliosfären har en lång svans, ungefär som en komet, även om en ny modell pekar på en form som saknar denna långa svans. Kredit:NASA:s Scientific Visualization Studio/Conceptual Imaging Lab
Från nära jorden, vi studerar vår gräns till det interstellära rymden genom att fånga och observera partiklar som flyger mot jorden. Detta inkluderar laddade partiklar som kommer från avlägsna delar av galaxen, kallas galaktiska kosmiska strålar, tillsammans med de som redan fanns i vårt solsystem, resa ut mot heliopausen, och studsas tillbaka mot jorden genom en komplex serie av elektromagnetiska processer. Dessa kallas energiska neutrala atomer, och eftersom de skapas genom att interagera med det interstellära mediet, de fungerar som en användbar proxy för att kartlägga kanten av heliosfären. Så här är NASA:s Interstellar Boundary Explorer, eller IBEX, mission studerar heliosfären, använder dessa partiklar som en sorts radar, spåra ut vårt solsystems gräns till det interstellära rymden.
För att förstå denna komplexa data, forskare använder datormodeller för att omvandla dessa data till en förutsägelse av heliosfärens egenskaper. Merav Opher, huvudförfattare till den nya forskningen, leder ett NASA- och NSF-finansierat DRIVE Science Center vid Boston University med fokus på utmaningen.
Denna senaste iteration av Ophers modell använder data från NASAs planetariska vetenskapsuppdrag för att karakterisera beteendet hos material i rymden som fyller bubblan i heliosfären och få ett annat perspektiv på dess gränser. NASA:s Cassini-uppdrag bar ett instrument, designad för att studera partiklar fångade i Saturnus magnetfält, som också gjorde observationer av partiklar som studsade tillbaka mot det inre solsystemet. Dessa mått liknar IBEX:s, men ger ett distinkt perspektiv på heliosfärens gräns.
För att förstå den potentiella beboeligheten för exoplaneter, det kan hjälpa forskare att veta om vår heliosfär mer liknar den relativt förkortade astrosfären i BZ Cam (vänster), den långa astrosfären Mira (höger), eller har en helt annan form. Kredit:NASA/Casalegno/GALEX
Dessutom, NASA:s New Horizons-uppdrag har tillhandahållit mätningar av upptagningsjoner, partiklar som joniseras ute i rymden och plockas upp och rör sig tillsammans med solvinden. På grund av deras distinkta ursprung från solvindspartiklarna som strömmar ut från solen, pick-up joner är mycket hetare än andra solvindspartiklar – och det är detta faktum som Ophers arbete beror på.
"Det är två vätskor blandade. Du har en komponent som är väldigt kall och en komponent som är mycket varmare, upptagningsjonerna, sa Opher, professor i astronomi vid Boston University. "Om du har lite kall vätska och varm vätska, och du sätter dem i rymden, de kommer inte att blandas – de kommer att utvecklas mestadels separat. Vad vi gjorde var att separera dessa två komponenter i solvinden och modellera den resulterande 3D-formen av heliosfären."
Med tanke på solvindens komponenter separat, kombinerat med Ophers tidigare arbete med solmagnetfältet som en dominerande kraft för att forma heliosfären, skapade en tömd croissantform, med två jetstrålar som krullar bort från den centrala bulbformade delen av heliosfären, och särskilt saknar den långa svansen som förutspåtts av många forskare.
"Eftersom upptagningsjonerna dominerar termodynamiken, allt är väldigt sfäriskt. Men eftersom de lämnar systemet mycket snabbt efter uppsägningschocken, hela heliosfären töms, sa Opher.
En uppdaterad modell föreslår formen på solens bubbla av påverkan, heliosfären (sett i gult), kan vara en tömd croissantform, snarare än den långsvansade kometformen som föreslagits av annan forskning. Kredit:Opher, et al.
Formen på vår sköld
Heliosfärens form är mer än en fråga om akademisk nyfikenhet:Heliosfären fungerar vårt solsystems sköld mot resten av galaxen.
Energiska händelser i andra stjärnsystem, som supernova, kan accelerera partiklar till nästan ljusets hastighet. Dessa partiklar raketar ut i alla riktningar, inklusive i vårt solsystem. Men heliosfären fungerar som en sköld:den absorberar ungefär tre fjärdedelar av dessa oerhört energirika partiklar, kallas galaktiska kosmiska strålar, som skulle ta sig in i vårt solsystem.
De som klarar sig kan orsaka förödelse. Vi är skyddade på jorden av vår planets magnetfält och atmosfär, men teknik och astronauter i rymden eller på andra världar är utsatta. Både elektronik och mänskliga celler kan skadas av effekterna av galaktiska kosmiska strålar - och eftersom galaktiska kosmiska strålar bär så mycket energi, de är svåra att blockera på ett sätt som är praktiskt för rymdresor. Heliosfären är rymdfararnas främsta försvar mot galaktiska kosmiska strålar, så att förstå dess form och hur det påverkar hastigheten av galaktiska kosmiska strålar som strålar ut vårt solsystem är en nyckelfaktor för att planera robotar och mänskliga rymdutforskningar.
Viss forskning tyder på att heliosfären har en lång svans, ungefär som en komet, även om en ny modell pekar på en form som saknar denna långa svans. Kredit:NASA:s Scientific Visualization Studio/Conceptual Imaging Lab
För att förstå den potentiella beboeligheten för exoplaneter, det kan hjälpa forskare att veta om vår heliosfär mer liknar den relativt förkortade astrosfären i BZ Cam (vänster), den långa astrosfären Mira (höger), eller har en helt annan form. Kredit:NASA/Casalegno/GALEX
Heliosfärens form är också en del av pusslet för att söka liv på andra världar. Den skadliga strålningen från galaktiska kosmiska strålar kan göra en värld obeboelig, ett öde som undviks i vårt solsystem på grund av vår starka himmelska sköld. När vi lär oss mer om hur vår heliosfär skyddar vårt solsystem – och hur det skyddet kan ha förändrats genom solsystemets historia – kan vi leta efter andra stjärnsystem som kan ha liknande skydd. Och en del av det är formen:Är våra heliosfäriska lookalikes långsvansade kometformer, tömda croissanter, eller något helt annat?
Oavsett heliosfärens verkliga form, ett kommande NASA-uppdrag kommer att vara en välsignelse för att reda ut dessa frågor:Interstellar Mapping and Acceleration Probe, eller IMAP.
IMAP, planerad att lanseras 2024, kommer att kartlägga partiklarna som strömmar tillbaka till jorden från heliosfärens gränser. IMAP kommer att bygga vidare på teknikerna och upptäckterna från IBEX-uppdraget för att kasta nytt ljus över heliosfärens natur, interstellära rymden, och hur galaktiska kosmiska strålar tar sig in i vårt solsystem.
Opher's DRIVE Science Center syftar till att skapa en testbar modell av heliosfären i tid för IMAP:s lansering. Deras förutsägelser om heliosfärens form och andra egenskaper – och hur det skulle återspeglas i partiklarna som strömmar tillbaka från gränsen – skulle ge en baslinje för forskare att jämföra med IMAP:s data.
