Auf den ersten Blick sieht es aus wie aus einer Autopsie von Außerirdischen. Ein seltsames Organ, das aus dem Brustkorb eines Xenomorphs herausgeschnitten wurde, unter dem flackernden Licht eines Operationssaals in einer streng geheimen Regierungseinrichtung, mit venösen Ranken, die zu Boden baumeln und zähflüssiger Schleim tropft. (X-Com jemand?)
Aber nein, es ist nur unser Sonnensystem.
Diese seltsam faszinierende Form ist eigentlich eine grafische Darstellung unseres Sonnensystems oder besser gesagt der magnetischen Blase, die unser Sonnensystem umgibt. Es ist eine Darstellung der Heliosphäre, einer massiven Blase, die durch den ständigen Ausfluss der Sonne in den Weltraum gehauen wurde.
Sie nennen es das „deflationierte Croissant“-Modell.
Das Problem bei der genauen Messung der Heliosphäre besteht darin, dass wir uns darin befinden. Sein Rand ist über 16 Milliarden km (10 Milliarden Meilen) entfernt. Nur den beiden Voyager-Raumsonden ist es zu verdanken, dass wir überhaupt Daten von außerhalb der Heliosphäre haben. Voyager 1 verließ die Helisphäre und trat im August 2012 in den interstellaren Raum ein, und Voyager 2 hat das gleiche gemacht im November 2019.
Logarithmische Skala des Sonnensystems, der Heliosphäre und des interstellaren Mediums. Bildnachweis: NASA-JPL
Es gibt Missionen, die sich der Erforschung der Heliosphäre widmen, wie IBEX der NASA oder Interstellarer Grenzerforscher . Es gibt komplexe Wechselwirkungen, wo die Heliosphäre auf den interstellaren Raum trifft, eine Region, die als bezeichnet wird Heliopause . IBEX untersucht sogenannte energetische neutrale Atome. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung von außerhalb unseres Sonnensystems auf geladene Teilchen aus unserem Sonnensystem trifft. Da diese energetischen neutralen Atome durch Wechselwirkungen mit dem interstellaren Medium (ISM) entstehen, dienen sie als eine Art Stellvertreter für die Messung des Randes der Heliosphäre.
Aber die Daten aus diesen Interaktionen sind komplex. Es muss in Computermodelle eingespeist werden, um vernünftige Vorhersagen über die Art und Form der Heliosphäre zu treffen. Die NASA und die NSF haben einen Versuch finanziert, dies zu verstehen SHIELD Drive Science Center , an der Boston University.
Eine Anfang dieses Jahres veröffentlichte Studie präsentiert einige der neuen Ergebnisse zur Heliosphäre. Der Titel lautet „ Eine kleine und runde Heliosphäre, die durch magnetohydrodynamische Modellierung von Aufnahmeionen vorgeschlagen wurde .“ Der Hauptautor ist Merav Opher, Professor für Astronomie an der Boston University. Die Studie ist in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen.
Wissenschaftler dachten früher, dass die Heliosphäre wie ein Komet geformt ist. Während sich unser Sonnensystem durch den Weltraum bewegt, trifft der Ausfluss der Sonne auf das ISM und erzeugt einen Bugstoß oder eine Bugwelle an der Vorderkante und einen Helioschwanz an der Hinterkante, der an einen Kometenschweif erinnert.
„Die Form der Heliosphäre wurde in den letzten sechs Jahrzehnten erforscht“, erklären die Autoren in ihrer Arbeit. „Es gab einen Konsens, denn die Pionierarbeit von Baranov und Malama , dass die Heliosphärenform kometenartig ist.“
Das Vorgängermodell der Heliosphäre. Bildnachweis: NASA/Feimer)
Aber diese neue Forschung zeigt uns eine andere Heliosphäre. Neuere Beweise, betonen die Autoren, zeigen, dass die Heliosphäre zwei Jet-ähnliche Strukturen enthält.
Neben Daten von IBEX nutzten die Forscher in ihrer neuen Studie Daten von Cassini und New Horizons. Beides sind planetare Missionen, aber sie haben immer noch Daten über das Sonnensystem beigetragen. In Cassinis Fall hat es Partikel gemessen, die durch Wechselwirkungen mit dem ISM in Richtung des inneren Sonnensystems zurückprallen. „Cassinis Beobachtungen energiereicher neutraler Atome deuten weiter darauf hin, dass die Heliosphäre keinen Schweif hat“, erklären sie.
New Horizons misst, was man nennt Ionen aufnehmen (PUI). PUIs sind ein wichtiger Bestandteil dieser Studie. Sie entstehen, wenn sich die Sonne durch das teilweise ionisierte Medium bewegt. Sie tauschen Ladungen mit dem Sonnenwind aus, und das erzeugt eine Population von heißen Pickup-Ionen (PUIs), die eine andere Temperatur als die Sonnenwind-Ionen haben.
Als Voyager 2 die Grenze in den interstellaren Raum überquerte, zeigte sich, dass der Druck an der Helioscheide von diesen PUIs dominiert wird. Doch wie die PUIs die Heliosphäre prägten, wurde damals noch nicht untersucht. Das hat diese Studie getan, und so haben wir dieses seltsame neue Bild unserer Heliosphäre erhalten.
Der Schlüssel zu dieser Studie ist, wie sie heiße Aufnahmeionen getrennt von thermischen Ionen modelliert haben. Die obere Reihe von Panels zeigt die Form der Heliosphäre, wenn sie separat modelliert wurden, die untere Reihe von Panels zeigt die Form der Heliosphäre, wenn sie nicht separat modelliert wurden. Bildquelle: Opher et al., 2020.
In dem Artikel erklären die Autoren: „Das neue Modell reproduziert sowohl die Eigenschaften der PUIs, basierend auf den New Horizons-Beobachtungen, als auch der Sonnenwindionen, basierend auf den Voyager 2-Raumsondenbeobachtungen sowie die solarähnlichen Magnetfelddaten außerhalb die Heliosphäre bei Voyager 1 und Voyager 2.
Die PUIs sind viel heißer als andere Partikel im Sonnenwind, und dieser Unterschied ist ein Schlüssel zu dieser Arbeit.
„Es sind zwei Flüssigkeiten miteinander vermischt. Sie haben eine Komponente, die sehr kalt ist und eine Komponente, die viel heißer ist, die Pick-up-Ionen“, sagte Erstautor Opher in einer Pressemitteilung. „Wenn Sie kalte und heiße Flüssigkeiten haben und sie in den Weltraum bringen, werden sie sich nicht vermischen – sie entwickeln sich meistens getrennt. Wir haben diese beiden Komponenten des Sonnenwinds getrennt und die resultierende 3D-Form der Heliosphäre modelliert.“
Ein aktualisiertes Modell (links) deutet darauf hin, dass die Form der Einflussblase der Sonne, der Heliosphäre, eher die Form eines entleerten Croissants als die von anderen Forschungen vorgeschlagene Form eines langschwänzigen Kometen sein könnte (rechts). Die weißen Linien repräsentieren das solare Magnetfeld, während die roten Linien das interstellare Magnetfeld repräsentieren. Bildnachweis Opher, et al
Anstelle einer schönen, aufgeräumten Form bekommen wir diese. Anstelle einer ausgestreckten, kugelförmigen Form mit einem Schwanz haben wir eine Art entleerte Croissant-Form. Eine bauchige, organisch aussehende Form, die wie eine Art Organ aussieht.
„Weil die Pick-up-Ionen die Thermodynamik dominieren, ist alles sehr kugelförmig. Aber weil sie das System nach dem Beendigungsschock sehr schnell verlassen, entleert sich die gesamte Heliosphäre“, sagte Opher.
Dieses neue Bild der Heliosphäre ist zwar rein grafisch interessant, aber auch wissenschaftlich wichtig. Das liegt an der wichtigen Rolle, die die Heliosphäre spielt.
Zwei Tafeln einer Figur in der Studie. Das linke zeigt die Dichte des Sonnenwinds. Das rechte zeigt die Dichte des Sonnenwinds und der PIU zusammen. Blau ist die höchste Dichte, Rot ist die niedrigste. Bildquelle: Opher et al., 2020.
Außerhalb der Heliosphäre, kosmische Strahlung werden durch energetische Ereignisse in anderen Sonnensystemen erzeugt. Kosmische Strahlung sind hochenergetische Protonen und Atomkerne, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten durch den Raum bewegen. Dinge wie Supernovae erzeugen sie, und sie reisen in alle Richtungen nach außen.
Kosmische Strahlung ist gefährlich und die Heliosphäre ist unser Schutzschild gegen sie. Die Heliosphäre absorbiert etwa 75% der kosmischen Strahlung, die auf uns zukommt, aber die, die durchdringt, können sehr störend sein. Auf der Erde sind wir größtenteils durch unsere Magnetosphäre und unsere Atmosphäre vor kosmischer Strahlung geschützt. Aber für Satelliten, Raumschiffe und Astronauten ist die Gefahr real.
Kosmische Strahlung schadet nicht nur der Elektronik, sondern erhöht auch das Krebsrisiko für Astronauten. Und sie sind so hochenergetische Teilchen, dass es schwierig ist, Astronauten vor ihnen abzuschirmen. Kosmische Strahlung ist aufgrund des erhöhten Krebsrisikos eine der Hauptgefahren für Langzeitflüge ins All.
Künstlerische Darstellung eines Sterns, der zur Supernova wird. Supernovae erzeugen kosmische Strahlen, von denen die meisten von der Heliosphäre absorbiert werden und uns damit schützen. Bildnachweis: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berry
Es gibt auch einige Hinweise darauf, dass die kosmische Strahlung zunimmt, wenn sich das Sonnensystem relativ zur galaktischen Ebene bewegt zum Aussterben geführt in der Vergangenheit. Einige Forscher glauben auch, dass Supernova-Explosionen in der Vergangenheit die Erde einer viel höheren kosmischen Strahlung ausgesetzt haben, was möglicherweise das Aussterben von . ausgelöst hat marine Megafauna im Pliozän . Aber viele dieser Forschungen sind umstritten.
Ein besseres Verständnis unserer eigenen Heliosphäre könnte uns auch helfen, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu verstehen. Die kosmische Strahlung kann Planeten unbewohnbar machen, sogar solche, die wir in der „Goldlöckchen-Zone“ um ferne Sterne herum finden. Wenn wir die Form und Funktion unserer eigenen Heliosphäre besser verstehen, können wir dieses Wissen auf andere Sonnensysteme anwenden, was uns eine differenziertere Sichtweise auf die Bewohnbarkeit und das Leben gibt.
Derzeit wissen wir nicht genug über unsere eigene Heliosphäre, einschließlich ihrer Form, um andere Heliosphären so genau zu charakterisieren.
Aber eine bevorstehende NASA-Mission sollte helfen. Es heißt IMAP, oder Interstellare Kartierung und Beschleunigungssonde . Der Start von IMAP ist für 2024 geplant und wird die Partikel kartieren, die von den Grenzen der Heliosphäre zur Erde zurückströmen.
Künstlerische Illustration der IMAP-Raumsonde der NASA. Es wird die Teilchen untersuchen, die von der Grenze der Heliosphäre zur Erde zurückkehren. Bildquelle: NASA
Das DRIVE Science Center wird eine Rolle bei der Mission von IMAP spielen. Opher und seine Kollegen von DRIVE erstellen rechtzeitig für die Einführung von IMAP im Jahr 2024 ein testbares Modell der Heliosphäre. Ihr Modell wird detailliertere Vorhersagen der Form der Heliosphäre und anderer Eigenschaften enthalten. Wissenschaftler können dann die Beobachtungen von IMAP verwenden, um sie zu testen.
„Zukünftige Fernerkundung und In-situ-Messungen werden die Realität einer runderen Heliosphäre testen können“, schreiben die Autoren im Fazit ihrer Arbeit. „… zukünftige Missionen wie die Interstellar Mapping and Acceleration Probe werden ENA (Energetic Neutral Atoms, was PUIs später werden) zurückgeben Ladungswechsel ) Karten mit höheren Energien als die gegenwärtigen Missionen und werden so in der Lage sein, ENAs zu erforschen, die tief in den heliosphärischen Schweif eindringen. Daher stehen weitere Untersuchungen der globalen Struktur der Heliosphäre an und werden unser Modell auf die Probe stellen.“
Mehr:
- Pressemitteilung: Die Form unseres Sonnensystems aufdecken
- Forschungsbericht: Eine kleine und runde Heliosphäre, die durch magnetohydrodynamische Modellierung von Aufnahmeionen vorgeschlagen wurde
- Universum heute: Was Voyager 2 nach einem Jahr im interstellaren Raum gelernt hat