NASA: Während der Sonnenwind weht, sieht unsere Heliosphere aus wie ein Ballon

 

NASA/06 June – Was passiert, wenn der Sonnenwind plötzlich deutlich stärker weht? Nach zwei aktuellen Studien ballonieren sich die Grenzen unseres gesamten Sonnensystems nach außen – und eine Analyse von Teilchen, die von ihren Kanten zurückprallen, wird ihre neue Form offenbaren.

Ende 2014 entdeckte die NASA-Raumsonde eine wesentliche Veränderung des Sonnenwinds. Zum ersten Mal seit fast einem Jahrzehnt stieg der Sonnenwinddruck – ein kombiniertes Maß für Geschwindigkeit und Dichte – um etwa 50 Prozent und blieb es auch noch einige Jahre danach. Zwei Jahre später entdeckte die Raumsonde Interstellar Boundary Explorer (IBEX) das erste Anzeichen der Nachwirkungen. Sonnenwindpartikel aus dem Druckanstieg von 2014 hatten den Rand der Heliosphäre erreicht, neutralisierten sich selbst und schossen den ganzen Weg zurück zur Erde. Und sie hatten eine Geschichte zu erzählen. In zwei kürzlich erschienenen Artikeln haben Wissenschaftler IBEX-Daten zusammen mit ausgeklügelten numerischen Modellen verwendet, um zu verstehen, was diese zurückprallenden Atome uns über die sich entwickelnde Form und Struktur unserer Heliosphäre, der vom Sonnenwind geformten riesigen Blase, erzählen können.

“Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Anstieg des Sonnenwinddrucks von 2014 bereits von der Sonne auf die äußere Heliosphäre ausgebreitet hat und die Grenzen unserer Heliosphäre in ihrer engsten Richtung verändert hat”, sagte David McComas, Principal Investigator der IBEX-Mission an der Princeton University in Princeton , New Jersey. “Die IBEX-Daten, die in den nächsten Jahren hinzukommen, werden uns die Entwicklung und Entwicklung der anderen Teile der äußeren Grenzen der Heliosphäre aufzeigen.”

„Von der Sonne bis zum Rand des Sonnensystems und zurück“

Der Kern der Geschichte sind energetische neutrale Atome – hochenergetische Teilchen, die am äußersten Rand unseres Sonnensystems erzeugt werden. Wenn der Sonnenwind mit Überschallgeschwindigkeit aus der Sonne herausfließt, sprengt er eine als Heliosphäre bekannte Blase. Die Heliosphäre umhüllt alle Planeten in unserem Sonnensystem und einen großen Teil des Raumes jenseits von ihnen, wodurch der Bereich unserer Sonne von dem des interstellaren Raums getrennt wird. Aber die Reise des Sonnenwindes von der Sonne ist keine sanfte Fahrt. Auf dem Weg zum Ende unserer Heliosphäre, der sogenannten Heliopause, durchquert der Sonnenwind unterschiedliche Schichten. Der erste von diesen ist als der Beendigungsschock bekannt.

Vor dem Abbruchsschock dehnt sich der Sonnenwind schnell aus, weitgehend ungehindert durch Außenmaterial. “Aber zum Ende des Schocks, etwa 9,3 Milliarden Meilen von uns entfernt, verlangsamt sich der Sonnenwind schlagartig. Über diesen Punkt hinaus bewegt es sich weiter nach außen, aber es ist viel heißer “, sagte Eric Zirnstein, Hauptautor einer der Zeitungen in Princeton. 

Einmal über den Abbruchschock hinaus gelangen die Sonnenwindpartikel in eine spezielle Limbo-Zone, die als Heliosheath bekannt ist. Während der Beendigungsstoß im Wesentlichen kugelförmig ist, wird angenommen, dass die Kanten der Heliosphäre eher einen Bogen um die Sonne beschreiben, während sie sich durch den Raum bewegt – näher an der Sonne nach vorne und sich weit dahinter erstreckend, ähnlich einem Kometen mit einem Schwanz. Entlang dieser Grenzen mischen sich Sonnenwindpartikel mit Partikeln aus dem interstellaren Raum. Kollisionen sind unvermeidlich: Die heißen, elektrisch geladenen Sonnenwindpartikel treffen auf die langsameren, kälteren neutralen Atome des interstellaren Raums, stehlen ein Elektron und werden selbst neutral. “Von dort aus reisen sie ballistisch durch den Weltraum und manche schaffen es bis zur Erde”, sagte Zirnstein. “Dies sind die energetisch neutralen Atome, die IBEX beobachtet.”

Ende 2016, als der energiereiche neutrale Atombeschauer von IBEX ein ungewöhnlich starkes Signal aufnahm, machten sich Professor McComas und sein Team auf, ihre Ursache zu untersuchen. Ihre Ergebnisse werden in einem Artikel berichtet, der am 20. März 2018 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde. Die energetisch neutralen Atome kamen von etwa 30 Grad südlich der interstellaren Aufwindrichtung, wo bekannt war, dass die Heliosheath der Erde am nächsten war. Um seinen Zusammenhang mit dem Anstieg des Sonnenwinddrucks im Jahr 2014 zu quantifizieren, wandten sich McComas und sein Team numerischen Simulationen zu und untersuchten, wie sich ein solcher Druckanstieg auf die energetisch neutralen Atome auswirkt, die IBEX beobachtet.  “Diese Simulationen beinhalten ein Modell für die Physik, das dann in Gleichungen umgewandelt wird, die wiederum auf einem Supercomputer gelöst werden”, sagte Jacob Heerikhuisen, ein Koautor beider Arbeiten an der University of Alabama in Huntsville. 

Mithilfe von Computermodellen simulierte das Team eine ganze Heliosphäre, rüttelte sie mit einem Anstieg des Sonnenwinddrucks und ließ die Zahlen laufen. Die Simulation vervollständigte eine Geschichte, die nur durch die Daten angedeutet wurde. Sobald der Sonnenwind den Abbruchschock trifft, erzeugt die Simulation eine Druckwelle. Diese Druckwelle setzt sich bis zum Rand der Heliosphäre fort und prallt teilweise zurück, was dazu führt, dass die Teilchen in der (nun viel dichteren) Heliosheath-Umgebung kollidieren, durch die sie gerade hindurchgelaufen ist. Dort wurden die energetischen neutralen Atome, die IBEX beobachtete, geboren. Die Simulationen lieferten einen zwingenden Fall: IBEX beobachtete tatsächlich die Ergebnisse der Sonnenwinddruckerhöhung von 2014, mehr als zwei Jahre später. Aber die Simulation hörte nicht auf. Es zeigte sich auch, dass der Anstieg des Sonnenwinddrucks im Jahr 2014 die Heliosphäre im Laufe der Zeit weiter explodieren lassen würde. Drei Jahre nach dem Anstieg des Sonnenwinddrucks – bis zur Veröffentlichung des Artikels – sollte der Terminationsschock, die innere Blase innerhalb der Heliosphäre, um sieben Astronomische Einheiten oder sieben Mal die Entfernung von der Erde zur Sonne erweitert werden. Die Heliopause, die äußere Blase, sollte um zwei astronomische Einheiten erweitert werden, zwei weitere im folgenden Jahr. Kurz gesagt, durch den Druck des Sonnenwinds ist unsere Heliosphäre heute größer als noch vor ein paar Jahren.

Die neue Form der Heliosphäre

McComas und Kollegen untersuchten die ersten Anzeichen für den Anstieg des solaren Winddrucks im Jahr 2014. Aber wenn wir uns die Daten in den kommenden Jahren ansehen, können sie uns noch mehr erzählen – dieses Mal über die sich entwickelnde Form unserer Heliosphäre. “Es gibt viele Studien, von denen einige schon vor einiger Zeit vorausgesagt haben, wie die Heliosphärenform aussehen soll”, berichtet Zirnstein, der Hauptautor der Studie. “Aber es ist immer noch sehr umstritten in der Modellierungs-Community. Wir hoffen, dass der Anstieg des solaren Winddrucks im Jahr 2014 dabei helfen könnte.“ Unter Verwendung der gleichen Daten und Simulationen, die in der vorherigen Arbeit verwendet wurden, haben Zirnstein und Kollegen die Uhr vorwärts bewegt und die Heliosphäre acht Jahre nach dem Anstieg des solaren Winddrucks 2014 modelliert. Die Ergebnisse beschreiben nicht nur die Vergangenheit, sondern modellieren auch die Zukunft. Das Paper wurde am 30. Mai 2018 im The Astrophysical Journal veröffentlicht. “Was wir in naher Zukunft zu sehen glauben, ist ein Ring, der sich über den Himmel ausdehnt und die Veränderung des energetischen Neutralen Atomflusses im Laufe der Zeit markiert”, sagte Zirnstein. “Dieser Ring dehnt sich von dem Punkt des ersten Kontakts in der äußeren Heliosphäre zu den Richtungen des Heliotail aus.”

Obwohl das Anfangssignal, das 2016 von IBEX entdeckt wurde, ein durchgehender Kreis war, wird es nicht so bleiben. Da der Sonnenwind von 2014 immer weiter entfernte Punkte der Heliopause erreicht, brauchen sie länger, um zurückzuschlagen, wie ein Echo einer weit entfernten Wand. Die abgerundete Form der Heliosphäre lässt dieses Echo in Form eines Rings zurückreflektieren. Aber das wichtigste Ergebnis kam von dem Ring, der sich ausdehnt. 

In ihrer Simulation fanden Zirnstein und Kollegen heraus, dass die genaue Geschwindigkeit, mit der sich der Ring ausdehnt, zum Teil von den Abständen zwischen den verschiedenen Schichten der Heliosphäre abhängt: dem Terminationsschock, der Heliopause und dem Teil des Helios, an dem die energetischen Neutralen erzeugt wurden . Zirnstein erkannte, dass er einen neuen Weg gefunden hatte, Größe und Form der Heliosphäre zu m3. “Wir können die Entfernungen zu den verschiedenen Grenzen der Heliosphäre abschätzen, indem wir uns diesen Ring im Laufe der Zeit im Himmel ansehen”, sagt Zirnstein. 

Zirnstein und Kollegen nutzten ihre simulierte Heliosphäre, um eine Teststudie durchzuführen. Durch Messung der Ausdehnungsrate des Rings (und Einstecken in die richtigen Gleichungen) konnten sie die Abstände zu Schlüsselstrukturen innerhalb ihrer simulierten Heliosphäre genau reproduzieren. Da sie wussten, was diese Abstände in ihrer Simulation waren, konnten sie ihre Arbeit überprüfen – und bestätigten, dass die Technik die richtigen Antworten erhielt und genau sein sollte, wenn sie auf die echte Heliosphäre angewendet wurde. Verformungen im Ring – Abweichungen von einem perfekten Kreis – könnten auch Asymmetrien in der Gesamtform der Heliosphäre aufdecken. “Es hängt davon ab, wie symmetrisch oder asymmetrisch die Heliosphäre ist”, fügte Zirnstein hinzu. “Wenn die Heliosphäre eine ideale Kometenform ist, sollte sich der Ring im Laufe der Zeit symmetrisch ausdehnen. Aber in der Realität wird das wahrscheinlich nicht passieren – wir müssen abwarten und sehen, was IBEX uns sagt. ” Zirnstein äußerte sich begeistert über die Möglichkeit, die wahre Form der Heliosphäre zu lernen. “In den nächsten Jahren mit mehr IBEX-Daten hoffe ich, dass wir ein 3D-Bild der Form der Heliosphäre erstellen können”, sagte Zirnstein.

Die Ergebnisse dieser beiden Studien haben wichtige praktische Auswirkungen. “Die Verbindung von Veränderungen in der Sonne mit energetischen Beobachtungen von neutralen Atomen wird uns helfen, langfristige Veränderungen der gefährlichen Bedingungen für die Weltraumstrahlung zu verstehen – eine Art Weltraumklima im Gegensatz zum Weltraumwetter”, sagte McComas. “Da der Sonnenwind immer schwerer weht und sich unsere Sonnenblase ausdehnt und zusammenzieht, wirkt sich dies direkt auf die Menge der kosmischen Strahlung aus, die in die Heliosphäre eindringen kann, was Astronauten bei Langzeit-Raumflügen gefährden könnte.”

Aber die Ergebnisse unterstreichen auch die unglaubliche Kraft unseres nächsten Sterns. Änderungen an der Sonne, einschließlich des Sonnenwinds, haben erhebliche Konsequenzen, indem sie Milliarden von Kilometern in den Weltraum ausdehnen, wo bisher nur die beiden Voyager-Raumschiffe gewagt haben. Mit Techniken wie der energetischen Neutralatom-Bildgebung können wir diese fernen Teile der Heliosphäre – unser Zuhause in der Galaxie – nicht nur darstellen, sondern präzise m3.

 

Credits by: Eric Zirnstein, NASA’s Goddard Space Flight Center, NASA/IBEX/Adler Planetarium

 

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