Das Sonnensystem existiert in einer Blase.
Wind und Strahlung der Sonne strömen nach außen und dringen in den interstellaren Raum vor. Dies schafft eine Grenze des Sonneneinflusses, innerhalb derer die Objekte im Sonnensystem vor starker kosmischer Strahlung geschützt sind.
Es wird Heliosphäre genannt, und zu verstehen, wie es funktioniert, ist ein wichtiger Teil des Verständnisses unseres Sonnensystems und vielleicht sogar, wie wir und alles Leben auf der Erde hier sein können.
„Inwiefern ist das für die Gesellschaft relevant? Die uns umgebende Blase, die von der Sonne produziert wird, bietet Schutz vor galaktischer kosmischer Strahlung, und ihre Form kann beeinflussen, wie diese Strahlen in die Heliosphäre gelangen“, sagt der Astrophysiker James Drake von der University of Maryland.
“Es gibt viele Theorien, aber natürlich kann die Art und Weise, wie galaktische kosmische Strahlung eindringen kann, von der Struktur der Heliosphäre beeinflusst werden – hat sie Falten und Falten und dergleichen?”
Da wir uns innerhalb der Heliosphäre befinden und ihre Grenze nicht wirklich sichtbar ist, ist es nicht ganz einfach, ihre Form herauszufinden. Aber es ist nicht unmöglich. Die beiden Voyager-Sonden und New Horizons sind drei Raumschiffe, die bis in die Weiten des Sonnensystems gereist sind; Tatsächlich haben die Voyager-Sonden sogar die Grenze der Heliosphäre überquert und bewegen sich derzeit durch den interstellaren Raum.
Mit den Daten dieser Sonden stellten Wissenschaftler im vergangenen Jahr fest, dass die Heliosphäre ein bisschen wie ein seltsames kosmisches Croissant geformt sein könnte. Jetzt haben sie herausgefunden, wie: Neutrale Wasserstoffteilchen, die aus dem interstellaren Raum in das Sonnensystem strömen, spielen wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Heliosphäre.
Das Team machte sich auf, die heliosphärischen Jets zu untersuchen. Dies sind Zwillingsstrahlen von Material, die von den Polen der Sonne ausgehen und durch die Wechselwirkung des Sonnenmagnetfelds mit dem interstellaren Magnetfeld geformt werden. Anstatt jedoch gerade herauszuschießen, biegen sie sich um, getrieben von der interstellaren Strömung – wie die Spitzen eines Croissants. Dies sind die Schwänze des Sonnensystems.
Eine Rekonstruktion der Heliosphäre mit den Jets. (M. Opher/AAS)
Diese ähneln anderen im Weltraum beobachteten astrophysikalischen Jets, und wie diese anderen Jets sind die Jets der Sonne instabil. Und auch die von der Sonne geformte Heliosphäre scheint instabil zu sein. Die Forscher wollten wissen, warum.
“Wir sehen diese Jets, die als unregelmäßige Säulen projizieren, und [astrophysicists] fragen sich seit Jahren, warum diese Formen Instabilitäten darstellen”, erklärt Astrophysiker Merav Opher von der Boston University (BU), der die Forschung leitete.
Das Team führte eine Computermodellierung durch und konzentrierte sich dabei auf neutrale Wasserstoffatome – solche, die keine Ladung tragen. Wir wissen, dass diese durch das Universum strömen, aber nicht, welche Auswirkungen sie auf die Heliosphäre haben könnten. Als die Forscher die neutralen Atome aus ihrem Modell nahmen, wurden die Sonnenstrahlen plötzlich stabil. Dann legten sie sie zurück.
“Wenn ich sie wieder einsetze, biegen sich die Dinge, die Mittelachse beginnt zu wackeln, und das bedeutet, dass etwas innerhalb der heliosphärischen Jets sehr instabil wird”, sagt Opher.
Dies geschieht nach Analyse des Teams durch die Wechselwirkung des neutralen Wasserstoffs mit der ionisierten Materie in der Heliosheath – dem äußeren Bereich der Heliosphäre. Dies erzeugt eine Rayleigh-Taylor-Instabilität oder eine Instabilität, die an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte auftritt, wenn die leichtere Flüssigkeit in die schwerere drückt. Dies wiederum erzeugt großräumige Turbulenzen in den Schwänzen der Heliosphäre.
Es ist eine klare und elegante Erklärung für die Form der Heliosphäre und eine, die Auswirkungen auf unser Verständnis davon haben könnte, wie galaktische kosmische Strahlung in das Sonnensystem eindringt. Dies könnte uns wiederum helfen, die Strahlungsumgebung des Sonnensystems außerhalb des schützenden Magnetfelds und der Atmosphäre der Erde besser zu verstehen.
„Das Universum ist nicht ruhig. Unser BU-Modell versucht nicht, das Chaos zu beseitigen, was es mir ermöglicht hat, die Ursache zu lokalisieren [of the heliosphere’s instability]…. Die neutralen Wasserstoffteilchen”, sagt Opher.
“Dieser Befund ist ein wirklich großer Durchbruch, er hat uns wirklich dazu gebracht, herauszufinden, warum unser Modell seine ausgeprägte croissantförmige Heliosphäre hat und warum andere Modelle nicht.”
Die Studie wurde veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal.