IBEX НАСА планирует 11 лет перемен на границе с межзвездным пространством

«Элегантное» решение показывает, как вселенная получила свою структуру

Далеко, далеко за пределами орбит планет лежат туманные контуры магнитного пузыря в пространстве, которое мы называем домом.

Это гелиосфера, огромный пузырь, который генерируется магнитным полем Солнца и охватывает все планеты. Границы этого космического пузыря не зафиксированы. В ответ на вздохи и вздохи Солнца они сжимаются и растягиваются с годами.

Теперь ученые впервые использовали весь солнечный цикл данных с космического корабля IBEX НАСА, чтобы изучить, как гелиосфера изменяется со временем. Солнечные циклы длятся примерно 11 лет, так как Солнце переходит от сезонов высокой активности к низкой и снова возвращается к высокой. С давним опытом IBEX ученые стремились исследовать, как колебания настроения Солнца играют на краю гелиосферы. Результаты показывают смещающуюся внешнюю гелиосферу в мельчайших деталях, ловко обрисовывают форму гелиосферы (предмет споров в последние годы) и намекают на процессы, стоящие за одной из ее самых загадочных особенностей. Эти результаты, наряду с недавно отлаженным набором данных, опубликованы в Дополнениях к Astrophysical Journal от 10 июня 2020 года.

IBEX, сокращение от Interstellar Boundary Explorer, уже более 11 лет наблюдает за границей межзвездного пространства, показывая нам, где наша космическая окрестность вписывается в остальную часть галактики.

«Это очень маленькая миссия», – сказал Дэвид МакКомас, главный исследователь миссии в Принстонском университете в Нью-Джерси. IBEX такой же большой, как автобусная шина. «Он был чрезвычайно успешным и длился намного дольше, чем кто-либо ожидал. Теперь нам повезло, что у нас есть целый солнечный цикл наблюдений».

Картирование края солнечной системы, по одной частице за раз

Гелиосфера заполнена солнечным ветром, постоянным потоком заряженных частиц от Солнца. Солнечный ветер вырывается во всех направлениях, миллион миль в час, пока не столкнется с межзвездной средой, ветрами других звезд, которые заполняют пространство между ними.

Когда Солнце проникает сквозь межзвездную среду, оно генерирует горячую плотную волну, очень похожую на волну в передней части лодки, плывущей по морю. Наша космическая окрестность называется Локальный Пух, потому что вокруг нас расцветает облако сверхгорячих газов. Там, где встречаются солнечный ветер и местный пух, образуется край гелиосферы, называемый гелиопаузой. Только внутри этого находится бурная область, названная heliosheath.

Частицы, называемые энергетически нейтральными атомами, или ENA, которые образуются в этой отдаленной области пространства, являются предметом исследований IBEX. Они создаются, когда горячие заряженные частицы, такие как частицы в солнечном ветре, сталкиваются с холодными нейтралами, такими как те, что поступают из межзвездного пространства. Быстрые частицы солнечного ветра могут вырывать электроны из неуклюжих межзвездных атомов, становясь нейтральными сами по себе.

Путешествие этих частиц начинается задолго до того, как IBEX обнаружит их. Мимо планет, мимо пояса астероидов и пояса Койпера до края гелиосферы, порыву солнечного ветра требуется около года, чтобы в 100 раз превышать расстояние между Солнцем и Землей. Попутно солнечный ветер собирает ионизированные атомы межзвездных газов, которые проникли в гелиосферу. Солнечный ветер, который прибывает на край, не тот ветер, который покинул Солнце год назад.

Частицы солнечного ветра могли бы потратить еще шесть месяцев, покачиваясь в хаосе гелиошата, пропасти между двумя внешними границами гелиосферы. Некоторые неизбежно сталкиваются с межзвездными газами и становятся энергетически нейтральными. Для обратного пути нейтральные частицы приближаются к другому году, пересекая пространство от края гелиосферы, чтобы достичь IBEX – если частицы движутся точно в правильном направлении. Из всех образовавшихся нейтральных частиц лишь немногие фактически попадают на IBEX. Вся поездка занимает от двух до трех лет для частиц с самой высокой энергией в диапазоне наблюдения IBEX, и даже больше для более низких энергий или более отдаленных областей.

IBEX использует тот факт, что нейтральные атомы, подобные этим, не отклоняются магнитным полем Солнца: свежие нейтральные частицы отклоняются от столкновений почти по прямой линии.

IBEX исследует небо для частиц, отмечая их направление и энергию. Космический корабль обнаруживает только одну секунду. В результате получается карта межзвездной границы, созданная по тому же принципу, который летучая мышь использует для эхолокации своего пути сквозь ночь: отслеживайте входящий сигнал, чтобы узнать больше о своем окружении. Изучая, откуда и когда происходят нейтральные точки, IBEX может проследить отдаленные границы нашей гелиосферы.

«Нам так повезло наблюдать это изнутри гелиосферы», – сказала Юстина Сокол, приглашенный ученый из команды Принстона. «Это процессы, которые происходят на очень малых расстояниях. Когда вы наблюдаете другие звезды, которые находятся очень далеко, вы наблюдаете расстояния световых лет вне их астросфер». Даже расстояние между Солнцем и носом гелиосферы ничтожно мало по сравнению со многими, многими световыми годами.

Используя данные IBEX за 11 с лишним лет, Маккомас и его команда смогли изучить изменения, которые меняются с течением времени и являются ключом к пониманию нашего места в космосе.

Солнечный ветер постоянен, но ветер не устойчив. Когда порывы ветра, гелиосфера раздувается как воздушный шар, и нейтральные частицы поднимаются по внешним краям. Когда ветер успокаивается, шар сжимается; нейтральные частицы истощаются. Ученые сообщили, что последующие колебания нейтральных частиц последовательно повторяются через два-три года после изменений ветра – отражая их путь к краю этого воздушного шара и обратно.

«Требуется так много лет, чтобы эти эффекты достигли края гелиосферы», – сказал Джейми Сзалай, еще один исследователь из Принстона в команде. «Для нас, чтобы получить столько данных от IBEX, наконец, позволяет нам сделать эти долгосрочные корреляции».

Формирование гелиосферы

С 2009 по 2014 год ветер дул довольно тихо и устойчиво, легкий ветерок. Гелиосфера сократилась. Затем на солнечном ветре возникла неожиданная волна, как будто Солнце тяжело вздохнуло. В конце 2014 года космический аппарат НАСА, вращающийся вокруг Земли, обнаружил увеличение давления солнечного ветра примерно на 50% (с тех пор оно оставалось высоким в течение нескольких лет).

Два года спустя вздымающийся солнечный ветер привел к потоку нейтральных частиц в гелиошабе. Еще два года спустя они заполнили большую часть носа гелиосферы. В конце концов они заняли вершины северного и южного полюсов гелиосферы.

Эти изменения не были симметричными. На каждом наблюдаемом выступе прослеживались причуды формы гелиосферы. Ученые были удивлены тем, насколько ясно они видели приливную волну солнечного ветра, выталкивающую гелиопаузу.

«Время и нейтральные частицы действительно нарисовали расстояния в форме гелиосферы для нас», – сказал МакКомас.

IBEX до сих пор не наблюдал воздействия этого космического удара с задней части гелиосферы, гелиохвоста. Это означает, что хвостовой конец намного дальше от Солнца, чем передний; эти частицы находятся в гораздо более длинном путешествии. Возможно, всплеск солнечного ветра все еще летит к хвосту, или, возможно, нейтральные частицы уже возвращаются. В ближайшие годы команда IBEX будет следить за признаками их возвращения с хвоста.

«Природа поставила этот идеальный эксперимент для нас, чтобы лучше понять эту границу», – сказал Салай. «Мы увидим, что произойдет, когда эта большая вещь – толчок солнечного ветра – изменится».

В целом, это рисует картину гелиосферы, которая имеет форму кометы. В последние годы форма гелиосферы была предметом споров. Некоторые утверждают, что наш пузырь в космосе сферический, как шар; другие предположили, что это ближе к круассану. Но в этом исследовании, по словам Маккомаса, данные IBEX ясно показывают, что реакция гелиосферы на толчок солнечного ветра была асимметричной, поэтому сама гелиосфера тоже должна быть асимметричной. Солнце расположено близко к фронту, и, когда Солнце летит сквозь пространство, гелиохвост тянется гораздо дальше, что-то вроде полосатого хвоста кометы.

Решая самую большую загадку IBEX

Многолетние данные IBEX также приблизили ученых к объяснению одной из самых удивительных особенностей гелиосферы, известной как лента IBEX. Лента остается одним из крупнейших открытий IBEX. Объявленный в 2009 году, он относится к обширной диагональной полосе энергетических нейтральных элементов, нарисованных по всей передней части гелиосферы. Уже давно озадачены ученые: почему любая часть границы должна так сильно отличаться от остальных?

Со временем IBEX указал, что то, что образует ленту, сильно отличается от того, что образует остальную часть межзвездного неба. Это сформировано направлением межзвездного магнитного поля. Но как образуются частицы ленты? Теперь ученые сообщают, что весьма вероятно, что вторичный процесс ответственен, заставляя путешествие определенной группы энергетически нейтральных частиц примерно удвоиться.

Становясь энергетически нейтральными, а не рикошетом назад к IBEX, эта группа частиц будет разлетаться в противоположном направлении, через гелиопаузу и в межзвездное пространство. Там они почувствовали вкус Местного пуха, путешествуя до тех пор, пока некоторые неизбежно не столкнулись бы с проходящими заряженными частицами, снова потеряли электрон и стали привязанными к окружающему магнитному полю.

Проходит еще два года или около того, и заряженные частицы могут снова столкнуться с более медленными пэрами, крадя электроны, как они это делали раньше. После этой кратковременной миграции за пределы гелиосферы дважды родившиеся энергетические нейтралы могут в конечном итоге вернуться, отбросившись назад к дому.

Расширенные данные IBEX помогли ученым соединить ленту с длительным межзвездным туром частиц. Частицы, образующие ленту, путешествовали примерно на два года больше, чем остальные наблюдаемые нейтральные частицы. Когда дело дошло до пика солнечного ветра, ленте потребовалось еще два года после того, как остальная часть гелиосферы даже начала реагировать.

Значительно превышая первоначальную двухлетнюю миссию, к IBEX вскоре присоединится еще одна миссия НАСА, IMAP – сокращение от Межзвездного зонда для картографирования и ускорения, для которого МакКомас также выполняет функции главного исследователя. Запуск миссии запланирован на конец 2024 года.

«IMAP предоставляет прекрасную возможность изучить с большим разрешением и чувствительностью то, что IBEX начал показывать нам, так что мы действительно получим детальное понимание физики», – сказал МакКомас.

Видео: https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=ZY8D71NW1wM&feature=emb_logo


Источник истории:

Материалы предоставлены NASA / Центром космических полетов Годдарда . Оригинал написан Линой Тран. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. DJ McComas, М. Bzowski, MA Dayeh, Р. DeMajistre, HO Funsten, PH Janzen, I. Kowalska-Leszczyńska, М. А. Кубяк, Н. А. Швадрон, JM Sokół, JR Szalay, М. Токумару, EJ Zirnstein. Солнечный цикл формирования изображений глобальной гелиосферы: исследования межзвездных границ (IBEX) за 2009–2019 гг . Серия астрофизических журналов , 2020; 248 (2): 26 DOI: 10,3847 / 1538-4365 / ab8dc2