Heliosfären – gjord av solvind, soltransienter och det interplanetära magnetfältet – fungerar som vårt solsystems personliga sköld och skyddar planeterna från galaktiska kosmiska strålar. Dessa extremt energirika partiklar accelererade utåt från händelser som supernovor och skulle orsaka enorma skador om heliosfären inte till största delen absorberade dem.
För närvarande kan det vetenskapliga samfundet inte nå en konsensus om gränserna eller konturerna av detta skyddade utrymme, och de undersöker uppdragskoncept för en interstellär sond som färdas bortom solens inflytandesfär för att svara på dessa frågor.
En studie ledd av University of Michigan publicerad i Frontiers in Astronomy and Space Sciences ger rekommendationer för att maximera vetenskapliga mätningar för att bättre förstå storleken och formen på vårt hem i heliosfären utifrån.
"Utan ett sådant uppdrag är vi som guldfiskar som försöker förstå fiskskålen från insidan", säger Sarah A. Spitzer, en postdoktor vid U-M och första författare till studien.
"Vi vill veta hur heliosfären skyddar astronauter och liv i allmänhet från skadlig galaktisk strålning, men det är svårt att göra när vi fortfarande inte ens vet formen på vår sköld", säger Marc Kornbleuth, forskare vid Boston University. och medförfattare till studien.
Enligt studien är den bästa möjliga utgångsvägen genom sidan av heliosfärens bakända.
Heliosfärens interaktion med det lokala interstellära mediet – ett material tillverkat av plasma, damm och neutrala partiklar som fyller utrymmet mellan astrosfärerna – bildar formen på vår heliosfär och påverkar sammansättningen av rymdmiljön i solsystemet, inklusive nära jorden . För närvarande förutspår modeller att heliosfären kan bilda former inklusive sfäriska, sträckta och halvmåneformade.
Ingen slutlig bestämning av heliosfärens form kan göras utan ytterligare mätningar utanför heliosfären.
"Ett framtida interstellärt sonduppdrag kommer att vara vår första möjlighet att verkligen se vår heliosfär, vårt hem, utifrån, och bättre förstå dess plats i det lokala interstellära mediet", sa Spitzer.
Hittills är rymdskepparna Voyager 1 och 2 de enda uppdragen som potentiellt har lämnat heliosfären. Nu, 46 år efter lanseringen 1977, är rymdfarkosten långt bortom sin avsedda livslängd och kan inte längre tillhandahålla fullständiga plasmamätningar som är nödvändiga för att förbättra vår förståelse av heliosfärens gränser.
Ett framtida interstellärt sonduppdrag syftar till att resa bortom heliosfären för att samla in prover från det lokala interstellära mediet. En uppdragskonceptrapport från 2021 som involverade samarbete mellan över 1 000 forskare diskuterade nyttolasten, bärraketen och tekniska aspekter av olika banor. Den här rapporten antar dock att en sondbana nära 45 grader från näsan på heliotailen, eller framsidan av solens riktningsrörelse, är optimal.
Utmana detta antagande, forskargruppen analyserade den vetenskapliga förtjänsten för sex möjliga interstellära sondbanor som sträcker sig från nosåtriktade till bakåtriktade riktningar. Forskarna drog slutsatsen att en bana som skär den heliosfäriska flanken mot svansriktningen skulle ge det bästa perspektivet på heliosfärens form och maximera vetenskapliga resultat.
"Om du vill ta reda på hur långt tillbaka ditt hus sträcker sig, är det förmodligen inte det bästa alternativet att gå ut genom ytterdörren och ta en bild från den främre trottoaren. Det bästa sättet är att gå ut genom sidodörren så att du kan se hur länge det är framifrån och bakifrån", sa Kornbleuth.
Vidare föreslår modeller att interstellär plasma kan injiceras direkt in i heliosfären genom svansen, vilket ger en möjlighet att ta prov på interstellär plasma både inom och utanför vår heliosfär. För att bättre förstå heliosfärens interaktion med det interstellära mediet rekommenderar forskarna också att vetenskapliga mätningar samlas in vid framtida uppdrag till heliosfärens bortre kanter.
"Den här analysen krävde mycket envishet. Den började i det små och växte till en stor resurs för samhället", säger Susan Lepri, professor i klimat- och rymdvetenskap och teknik vid U-M och den sista författaren till studien.
Under sin 46-åriga resa har rymdfarkosten Voyager färdats omkring 163 astronomiska enheter (15,2 miljarder miles) bort från jorden. Framöver kommer en framtida interstellär sond att utformas för ett 50-årigt uppdrag avsett att resa runt 400 astronomiska enheter och kan till och med pågå till cirka 1 000 astronomiska enheter, vilket ger en oöverträffad bild av vår heliosfär och det interstellära mediet bortom.
Mer information: Sarah A. Spitzer et al, Komplementära interstellära detektioner från heliotail, Frontiers in Astronomy and Space Sciences (2024). DOI:10.3389/fspas.2023.1163519
Tillhandahålls av University of Michigan College of Engineering
