Po raz pierwszy astronomom udało się określić kształt heliosfery, przestrzeni wokół Słońca, w której ciśnienie wiatru słonecznego przeważa nad ciśnieniem wiatrów galaktycznych. Powstała mapa pozwoli lepiej zrozumieć naukowcom środowisko Układu Słonecznego i interakcje wiatru słonecznego z wiatrami z przestrzeni międzygwiezdnej.
Heliosfera to ogromny obszar wokół Słońca obejmujący wszystkie planety i większość pomniejszych ciał w Układzie Słonecznym. Jej granice wyznacza heliopauza, miejsce w przestrzeni kosmicznej, gdzie wiatr słoneczny nieustannie emitowany przez naszą gwiazdę styka się z wysokoenergetycznymi cząstkami z przestrzeni międzygwiezdnej. Właśnie tę przestrzeń udało się zmapować. Stoją za tym astronomowie z Los Alamos National Laboratory, a opis ich badań ukazał się na łamach pisma „Astrophysical Journal” (DOI: 10.3847/1538-4365/abf658).
Heliosfera to rodzaj magnetycznego „bąbla” wytwarzanego przez Słońce, który otacza i chroni nasz Układ Słoneczny. Ten „bąbel” materii nieustannie wyrzucanej przez Słońce, głównie protonów, elektronów i cząstek alfa, chroni planety Układu Słonecznego przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym blokując wysokoenergetyczne cząstki pochodzące z przestrzeni międzygwiezdnej.
Na granicy heliosfery wiatr słoneczny wytraca swoją prędkość, a ciśnienie wiatrów galaktycznych zaczyna przeważać nad ciśnieniem wiatru słonecznego. Ta granica to właśnie heliopauza. W tym miejscu wiatr słoneczny zderza się z promieniowaniem kosmicznym.
Granicę heliosfery przekroczyły obie sondy Voyager wystrzelone ponad 40 lat temu. Sonda Voyager 1 pokonała heliopauzę w 2012 roku. Sonda Voyager 2 dokonała tego w 2019 roku. Voyager 1 i 2 znajdowały się odpowiednio w odległości 121 i 119 jednostek astronomicznych od Słońca, kiedy napotkały heliopauzę. Obie sondy znajdują się obecnie w ośrodku międzygwiazdowym i są jedynymi obiektami stworzonymi przez człowieka, które przekroczyły granicę heliosfery.
Jak przyznał Dan Reisenfeld z Los Alamos National Laborator, główny autor publikacji, fizycy od lat tworzyli różne modele teoretyczne heliosfery, jednak nowy model powstał w oparciu o dane z należącej do NASA satelity Interstellar Boundary Explorer (IBEX), która wykrywa cząstki pochodzące z okolic heliopauzy. Dzięki temu zespół badaczy był w stanie zmapować krawędź tej strefy, określając tym samym kształt heliosfery. - Po raz pierwszy udało nam się wykonać pomiary i stworzyć trójwymiarową mapę – powiedział Reisenfeld.
Do wykonania mapy naukowcy użyli techniki podobnej do tej, z której korzystają nietoperze do nawigowania. - Podobnie jak nietoperze wysyłają impulsy w każdym kierunku i wykorzystują sygnał zwrotny do stworzenia mapy swojego otoczenia, wykorzystaliśmy wiatr słoneczny, który rozchodzi się we wszystkich kierunkach, aby stworzyć mapę heliosfery – wyjaśnił Reisenfeld.
Kształt heliosfery był przedmiotem debaty od lat. Uczeni sugerowali, że przestrzeń ta ma kształt sferyczny. Inni wskazywali, że raczej podobna jest do komety z ogonem ciągniętym za Układem Słonecznym, gdy porusza się wokół Drogi Mlecznej. Jeszcze inni przekonywali, że to coś w kształcie rogalika. Patrząc na wyniki mapowania satelity IBEX (poniżej) można powiedzieć, że bliżej prawdy byli ci, co stawiali na kształt kuli w połączeniu z podobieństwami do komety.
Cząstki pochodzące z heliopauzy, które wykrywa IBEX, są generowane przez zderzenia między cząsteczkami wiatru słonecznego i cząsteczkami wiatru międzygwiazdowego, a intensywność tego sygnału zależy od intensywności wiatru słonecznego w momencie zderzenia.
Wiatr słoneczny emitowany przez Słońce zmienia się pod względem siły, tworząc unikalny wzór. IBEX zobaczy ten wzór w powracającym sygnale dwa do sześciu lat później, w zależności od energii zderzeń cząstek w okolicy heliopauzy i kierunku, w którym IBEX patrzy. Innymi słowy, siła sygnału i opóźnienie między jego emisją przez Słońce a odbiorem przez IBEX mogą ujawnić kształt i odległość do przeszkody. Naukowcy zastosowali tę metodę do zbudowania trójwymiarowej mapy wykorzystując dane zebrane w całym cyklu słonecznym od 2009 do 2019 roku.
- Dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć granicę heliosfery w taki sam sposób, w jaki nietoperz używa sonaru do „widzenia” ścian jaskini – powiedział Reisenfeld.
Powodem, dla którego powrót sygnału do IBEX trwa tak długo, są ogromne odległości. Mierzone one są w jednostkach astronomicznych (AU - astronomical units), gdzie 1 AU to w przybliżeniu odległość Ziemi od Słońca (około 150 milionów kilometrów). Mapa Reisenfelda pokazuje, że minimalna odległość od Słońca do heliopauzy wynosi około 120 AU w kierunku wiatru międzygwiezdnego, a w przeciwnym kierunku rozciąga się na co najmniej 350 AU, co stanowi granicę możliwość satelity IBEX. Dla porównania, orbita Neptuna, ostatniej planety w Układzie Słonecznym, znajduje się odległości około 60 jednostek astronomicznych.
Źródło: Los Alamos National Laboratory, fot. NASA/IBEX/Adler Planetarium
