Metoda oparta na zbieraniu ultraszybkich atomów umożliwia naukowcom prześledzenie kształtu bańki ochronnej naszego układu.
Zakres wpływu Słońca rozciąga się daleko poza naszą gwiazdę macierzystą, na cały wielki obszar w ośrodku międzygwiazdowym zwany heliosferą. Wyobrażamy sobie ją zwykle jako bąbel „osobistej przestrzeni” Słońca, wypełniony cząsteczkami wiatru słonecznego, które wypierają ośrodek międzygwiazdowy i przy okazji chronią cały Układ Słoneczny (wraz z nami) przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym.
Astronomowie mają świadomość rozmiaru heliosfery dzięki wiarygodnym, ale i ograniczonym danym takim jak informacje zebrane przez sondę Voyager przy przekraczaniu przez nią granicy heliosfery – heliopauzy. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez Daniela Reisenfelda (Los Alamos National Laboratory) i jego współpracowników, opublikowane w czerwcowym Astrophysical Journal Supplement Series, oparte są już na danych obejmujących całe niebo i pozwalają na wykonanie mapy heliosfery w trzech wymiarach. Najnowsze odkrycia potwierdzają to, co naukowcy zajmujący się Słońcem od dawna zresztą podejrzewali: heliosfera wcale nie jest sferą, jest natomiast wyraźnie skompresowana z jednej strony, z wydłużonym „ogonem” z drugiej.
Zespół wykorzystał satelitę Interstellar Boundary Explorer (IBEX) i zarejestrował odległość do heliopauzy metodą, którą naukowcy nazywają sondowaniem, ze względu na jej podobieństwo do technik sonarowych. Wykryto energetyczne neutralne atomy (ENA), które powstają w zewnętrznej warstwie heliosfery, gdy szybko poruszające się cząstki wiatru słonecznego „kradną” elektrony atomom z mniej turbulentnego ośrodka międzygwiazdowego, po czym same stają się neutralnymi atomami. Ta kradzież elektronów spycha neutralne atomy z ich trajektorii ścieżki, a w niektórych przypadkach z bardzo dużych prędkościami wracają one z powrotem, docierając aż do satelity IBEX.
Astronomowie odkryli, że zmiany w ilości ENA wychwytywanych przez IBEX są związane z obserwowanymi wcześniej zaburzeniami ciśnienia wiatru słonecznego. Jeśli zatem da się powiązać unikalne zakłócenia tego wiatru ze zmianą liczby wykrytych atomów ENA, można też wykorzystać czas, który upłynął między tymi dwoma zdarzeniami, i obliczyć, ile czasu zajęła cząsteczkom wiatru słonecznego podróż w kierunku heliopauzy, zderzenie się z ośrodkiem międzygwiezdnym, i wreszcie powrót – już jako neutralne atomy typu ENA. Dysponując już tym czasem i szacunkami na temat tego, jak szybko powinny poruszać się odpowiednie cząstki, naukowcy mogą określić odległość do heliopauzy.
Jednak ten czas „śledzenia wstecznego” zależy także od grubości najbardziej zewnętrznej warstwy heliosfery, a naukowcy muszą założyć, że ENA tworzą się gdzieś pomiędzy – pośrodku. Patrząc na to w kierunku od Słońca, początek tej warstwy jest zdefiniowany szokiem końcowym, w którym wiatr słoneczny zderza się z ośrodkiem międzygwiazdowym i zwalnia wówczas do prędkości mniejszej niż prędkość dźwięku. Aby przekształcić takie obserwacje z IBEX w trójwymiarową mapę heliosfery, zespół musiał zatem użyć kilku symulacji szoku końcowego, aby lepiej zdefiniować te czas śledzenia cząstek. Zespół Reisenfelda wykorzystał te założenia oraz dane z pełnego, 11-letniego cyklu słonecznego i obliczył odległość do heliopauzy we wszystkich kierunkach wokół Słońca.
Wyniki pokazują, że kształt heliosfery nie zależy w dużym stopniu od kształtu przyjętego szoku terminalnego. Największa różnica pomiędzy wynikami modelu a bezpośrednimi pomiarami wykonanymi przez obie sondy Voyager to tylko 13 jednostek astronomicznych, czyli raczej niewiele w porównaniu z najkrótszą zmierzoną odległością od Słońca do heliopauzy (120 j.a.), gdzie jest ona silnie skompresowana od wiatru międzygwiezdnego. Reszta heliosfery z kolei silnie rozszerza się w przeciwnym kierunku, w miarę jak Słońce przemierza przestrzeń kosmiczną.
Jak na razie nie było tu żadnej większej niespodzianki. Ale to dlatego, że obecna debata wśród astronomów nie dotyczy „czoła” heliosfery, ale jej „ogona”, co znaczy, że podzielone są zdania co do tego, jak daleko sięga on w kosmos. Mogą to być zarówno setki, jak i tysiące jednostek astronomicznych. Zespół Reisenfelda nie może niestety wskazać właściwej liczby na podstawie swoich danych. Jedyne, co naukowcy mogą powiedzieć, to to, że ogon ma co najmniej 350 j.a., ponieważ jest to granica możliwości wyznaczenia odległości w ich metodzie.
Problem polega na tym, że przy energiach IBEX cząstki, które wytwarzają odtwarzane później obrazy, są obecne tylko do około 200 j.a. w każdym kierunku, więc nie widać dużo dalej niż sam ogon heliosferyczny, mówi Merav Opher (Boston University), który niedawno wykazał, że heliosferyczna plazma jest kształtowana przez słoneczne pole magnetyczne, co może powodować, że heliosfera wygląda jak zdeformowany rogalik. Opher uważa, że choć nowe mapy są doskonałym potwierdzeniem dla istniejących modeli heliosfery, szczególnie tych z obszaru jej czoła, nie wnoszą dziś wiele nowych informacji do debaty dotyczącej ogona.
Na ilustracji: Mapa heliosfery w 3Dz IBEX. Heliosfera jest pokazana na niebiesko, szok końcowy na zielono, a Słońce to mała żółta kropka. Osie przedstawione są w jednostkach astronomicznych, a ich początek jest wyśrodkowany na Słońcu. Źródło: D. B. Reisenfeld et al. / Astrophysical Journal Supplement Series 202
Satelita IBEX powinien przy tym działać na tyle długo, aby móc zaobserwować część nowego cyklu aktywności, w który nasze Słońce weszło jeszcze w 2019 roku. To być może pozwoli zespołowi Reisenfelda z czasem ulepszyć jego obecne mapy heliosfery. Nowa sonda IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), która ma zostać wystrzelona w kosmos w 2024 r., będzie z kolei szczegółowo badać interakcje między wiatrem słonecznym a ośrodkiem międzygwiazdowym. Ta nowa misja będzie mogła prowadzić obserwacje przy wyższych energiach niż IBEX i sondować znacznie dalej niż na kilkaset jednostek astronomicznych. Opher ma nadzieję, że to właśnie IMAP rozstrzygnie debatę dotyczącą wielkości „ogona” heliosfery – raz na zawsze...
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna praca naukowa: A Three-dimensional Map of the Heliosphere from IBEX (ApJS 2021)
Źródło: Sky&Telescope
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Artystyczna wizja bąbla magnetycznego wokół naszego Układu Słonecznego, zwanego heliosferą – tutaj w kolorze brązowym, z niektórymi jego głównymi składnikami. Heliosfera przebija się przez ośrodek międzygwiazdowy (kolor niebieski). Astronomowie zmapowali teraz dokładnie jej trójwymiarowy kształt. Źródło: NASA / IBEX / Adler Planetarium
