Neue Forschungen unter der Leitung des BU-Astrophysikers Merav Opher könnten erklären, warum die Heliosphäre, ein schützendes magnetisches „Kraftfeld“, das von unserer Sonne ausgeht und unser Sonnensystem umgibt, wahrscheinlich instabil und unregelmäßig geformt ist. „Das Universum ist nicht ruhig“, sagt Opher. „Unser BU-Modell versucht nicht, das Chaos zu beseitigen.“ Quelle: Merav Opher, et. al
Astrophysiker auf BUs NASA-finanziertes SHIELD-Team erreicht einen weiteren Meilenstein auf seinem Bestreben, die Heliosphäre zu verstehen.
Ein multiinstitutionelles Team von Astrophysikern mit Hauptsitz an der Boston University unter der Leitung des BU-Astrophysikers Merav Opher hat eine bahnbrechende Entdeckung in unserem Verständnis der kosmischen Kräfte gemacht, die die schützende Blase um unser Sonnensystem formen – eine Blase, die das Leben auf der Erde schützt und ist von Weltraumforschern als Heliosphäre bekannt.
Astrophysiker glauben, dass die Heliosphäre die Planeten in unserem Sonnensystem vor der starken Strahlung schützt, die von Supernovae ausgeht, den letzten Explosionen sterbender Sterne im gesamten Universum. Sie glauben, dass sich die Heliosphäre weit über unser Sonnensystem hinaus erstreckt, aber trotz des massiven Puffers gegen kosmische Strahlung, den die Heliosphäre den Lebensformen der Erde bietet, kennt niemand die Form der Heliosphäre – oder auch ihre Größe.
„Inwiefern ist das für die Gesellschaft relevant? Die uns umgebende Blase, die von der Sonne produziert wird, bietet Schutz vor galaktischen kosmischen Strahlen, und ihre Form kann beeinflussen, wie diese Strahlen in die Heliosphäre gelangen“, sagt James Drake, Astrophysiker an der University of Maryland, der mit Opher zusammenarbeitet. „Es gibt viele Theorien, aber natürlich kann die Art und Weise, wie galaktische kosmische Strahlung eindringen kann, durch die Struktur der Heliosphäre beeinflusst werden – hat sie Falten und so etwas?“
Ophers Team hat einige der überzeugendsten Computersimulationen der Heliosphäre erstellt, die auf Modellen basieren, die auf beobachtbaren Daten und theoretischer Astrophysik basieren. An der BU, im Center for Space Physics, leitet Opher, ein Professor für Astronomie am College of Arts & Sciences, ein NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center, das mit 1,3 Millionen US-Dollar an NASA-Mitteln unterstützt wird. Dieses Team, bestehend aus Experten von Opher, die von 11 anderen Universitäten und Forschungsinstituten rekrutiert wurden, entwickelt Vorhersagemodelle der Heliosphäre in einem Bemühen, das das Team SHIELD (Solar-Wind with Hydrogen Ion Exchange and Large-scale Dynamics) nennt.
Sieht so die Heliosphäre aus? BU-geführte Forschung legt dies nahe. Die Größe und Form des magnetischen „Kraftfeldes“, das unser Sonnensystem vor tödlicher kosmischer Strahlung schützt, wird seit langem von Astrophysikern diskutiert. Bildnachweis: Opher, et al
Seit das NASA DRIVE Science Center der BU im Jahr 2019 erstmals eine Finanzierung erhielt, hat das SHIELD-Team von Opher nach Antworten auf mehrere rätselhafte Fragen gesucht: Wie ist die Gesamtstruktur der Heliosphäre? Wie entwickeln sich seine ionisierten Teilchen und wie beeinflussen sie heliosphärische Prozesse? Wie interagiert und beeinflusst die Heliosphäre das interstellare Medium, die Materie und Strahlung zwischen den Sternen? Und wie wird die kosmische Strahlung von der Heliosphäre gefiltert oder durch sie transportiert?
„SHIELD kombiniert Theorie, Modellierung und Beobachtungen, um umfassende Modelle zu erstellen“, sagt Opher. „All diese verschiedenen Komponenten arbeiten zusammen, um die Rätsel der Heliosphäre zu verstehen.“
Und jetzt ein von Opher und Mitarbeitern veröffentlichtes Papier in Astrophysikalisches Journal zeigt, dass neutrale Wasserstoffteilchen, die von außerhalb unseres Sonnensystems strömen, höchstwahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Formgebung unserer Heliosphäre spielen.
In ihrer neuesten Studie wollte Ophers Team verstehen, warum heliosphärische Jets – blühende Energie- und Materiesäulen, die anderen Arten von kosmischen Jets im ganzen Universum ähneln – instabil werden. „Warum stoßen Sterne und Schwarze Löcher – und unsere eigene Sonne – instabile Jets aus?“ sagt Opher. „Wir sehen diese Jets als unregelmäßige Säulen projizieren, und [astrophysicists] fragen sich seit Jahren, warum diese Formen Instabilitäten aufweisen.“
In ähnlicher Weise sagen SHIELD-Modelle voraus, dass die Heliosphäre, die zusammen mit unserer Sonne reist und unser Sonnensystem umfasst, nicht stabil zu sein scheint. Andere Modelle der Heliosphäre, die von anderen Astrophysikern entwickelt wurden, neigen dazu, die Heliosphäre als kometenähnliche Form darzustellen, mit einem Jet – oder einem „Schwanz“ –, der hinter ihm herströmt. Im Gegensatz dazu legt Ophers Modell nahe, dass die Heliosphäre eher wie ein Croissant oder sogar ein Donut geformt ist.
Der Grund dafür? Neutrale Wasserstoffteilchen, so genannt, weil sie gleiche Mengen an positiver und negativer Ladung haben, die überhaupt keine Ladung haben.
„Sie strömen durch das Sonnensystem“, sagt Opher. Mit einem Rechenmodell wie einem Rezept testete sie die Wirkung von ‘Neutralen’ auf die Form der Heliosphäre. Sie nahm „eine Zutat aus dem Kuchen – die Neutralen – und bemerkte, dass die Strahlen der Sonne, die die Heliosphäre formen, zu werden superstabil. 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.“
Eine solche Instabilität würde theoretisch Störungen in den Sonnenwinden und Jets verursachen, die von unserer Sonne ausgehen, und dazu führen, dass die Heliosphäre ihre Form aufspaltet – in eine hörnchenähnliche Form. Obwohl Astrophysiker noch keine Möglichkeiten entwickelt haben, die tatsächliche Form der Heliosphäre zu beobachten, deutet das Modell von Opher darauf hin, dass die Anwesenheit von Neutralen, die in unser Sonnensystem einschlagen, es der Heliosphäre unmöglich machen würde, gleichmäßig wie ein schießender Komet zu fließen. Und eines ist sicher – Neutrale rasen definitiv durch den Weltraum.
Drake, ein Mitautor der neuen Studie, sagt, dass Ophers Modell „die erste klare Erklärung dafür bietet, warum die Form der Heliosphäre in den nördlichen und südlichen Gebieten aufbricht, was unser Verständnis davon beeinflussen könnte, wie galaktische kosmische Strahlung auf die Erde und in die nähere Umgebung gelangt -Erde Umwelt.“ Dies könnte die Bedrohung des Lebens auf der Erde durch Strahlung und auch für Astronauten im Weltraum oder zukünftige Pioniere, die versuchen, zu reisen, beeinträchtigen Mars oder andere Planeten.
„Das Universum ist nicht ruhig“, sagt Opher. „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.“
Insbesondere die Anwesenheit der Neutralen, die mit der Heliosphäre kollidieren, löst ein den Physikern wohlbekanntes Phänomen aus, die sogenannte Rayleigh-Taylor-Instabilität, die auftritt, wenn zwei Materialien unterschiedlicher Dichte kollidieren, wobei das leichtere Material gegen das schwerere Material drückt. Dies geschieht, wenn Öl über Wasser und schwerere Flüssigkeiten oder Materialien über leichteren Flüssigkeiten schweben. Die Schwerkraft spielt eine Rolle und führt zu wild unregelmäßigen Formen. Bei den kosmischen Jets erzeugt der Widerstand zwischen den neutralen Wasserstoffteilchen und geladenen Ionen einen ähnlichen Effekt wie die Schwerkraft. Die im berühmten Pferdekopfnebel zu sehenden „Finger“ werden beispielsweise durch die Rayleigh-Taylor-Instabilität verursacht.
„Dieses Ergebnis ist ein wirklich großer Durchbruch, es hat uns wirklich dazu gebracht, herauszufinden, warum unser Modell seine ausgeprägte croissantförmige Heliosphäre hat und warum andere Modelle nicht“, sagt Opher.
Referenz: „A Turbulent Heliosheath Driven by the Rayleigh-Taylor Instability“ von M. Opher, JF Drake, G. Zank, E. Powell, W. Shelley, M. Kornbleuth, V. Florinski, V. Izmodenov, J. Giacalone, S. Fuselier, K. Dialynas, A. Loeb und J. Richardson, 1. Dezember 2021, Astrophysikalisches Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac2d2e