Hogyan reagál a Naprendszer mágneses védőburka a Nap sóhajtásaira?

5361

Távol, a bolygók pályáján túl húzódik annak a mágneses védőburoknak a határa, amely körülvesz bennünket. Ez a helioszféra, a Nap mágneses tere által létrehozott hatalmas buborék, amely magába foglalja az összes bolygót. A kozmikus buborék széle nem állandó. A Nap sóhajainak hatására az évek során összehúzódik és kiterjed.

A NASA IBEX (Interstellar Boundary Explorer) űrszondája most először szolgáltatott adatokat egy teljes napciklusról, így a kutatók megvizsgálhatták, hogyan változik a helioszféra. Egy napciklus nagyjából 11 évig tart: ezalatt az idő alatt a Nap aktivitása lecsökken, majd újból megnő. Az IBEX hosszútávú felmérésének köszönhetően megtudhatjuk, milyen táncot járat a Nap a helioszféra peremével. A kutatás részletes adatokat szolgáltat a változó külső helioszféráról, felvázolja annak alakját, ami az utóbbi években vita tárgyát képezte, és felfedi a rejtélyes jelenségek mögött meghúzódó lehetséges folyamatokat is. Az eredményeket közlő tanulmány a nemrég pontosított adatbázissal együtt 2020. június 10-én jelent meg a The Astrophysical Journal Supplement Series című folyóiratban.

Az IBEX több mint 11 éve vizsgálja a csillagközi tér határát, azt a vidéket, ahol szűkebb kozmikus környezetünk a galaxis többi részével találkozik.

Művészi illusztráció az IBEX űrszondáról. (Forrás: NASA)

„Ez egy kicsi űrszonda.” – mondta David McComas (Princeton University), a küldetés vezető kutatója, utalva arra, hogy az IBEX csupán akkora, mint egy busz gumiabroncsa. „Rendkívül sikeres küldetés, sokkal hosszabb ideig tart, mint bárki remélte. Szerencsések vagyunk, hogy egy teljes napciklusról van megfigyelési adatunk.”

A helioszférát a Napból áramló töltött részecskék, a napszél alkotja. A napszél másfél millió kilométeres óránkénti sebességgel süvít minden irányban, amíg bele nem szalad a csillagközi térbe, ahol a többi csillag szele uralkodik.

Ahogy a Nap halad a csillagközi térben, a hajók orránál induló hullámhoz hasonló forró, sűrű hullámot vet. Tágabb kozmikus környezetünk a forró gázokból álló Lokális Csillagközi Felhő. A napszél és a Lokális Csillagközi Felhő találkozópontja a helioszféra széle, az úgynevezett heliopauza. Közvetlenül a heliopauzán belül fekszik egy turbulens régió, a mágneses hüvely (heliosheath).

Az IBEX az itt kialakuló, nagy energiájú semleges atomokat vizsgálja. Ezek akkor keletkeznek, amikor a napszél töltött részecskéi összeütköznek a kis energiájú, semleges részecskékkel, például azokkal, amelyek a csillagközi térből áramlanak be. A gyors napszél-részecskék elektronokat ragadhatnak el a nehezebb csillagközi atomoktól, és így semlegessé válhatnak.

Ezeknek a részecskéknek az útja jóval előbb kezdődik, mint ahogy az IBEX észlelné őket. A bolygók, a kisbolygóöv és a Kuiper-öv mellett elhaladó napszélnek körülbelül egy évébe telik, hogy a Nap és a Föld távolságának százszorosát megtéve eljusson egészen a helioszféra széléig. Útközben felveszi a csillagközi gázok ionizált atomjait. A helioszféra széléhez érkező napszél már nem ugyanaz, mint amikor egy évvel korábban a Naptól elindult.

A napszél részecskéi újabb hat hónapot tölthetnek el azzal, hogy a kaotikus mágneses hüvelyben, a helioszféra két külső határa közötti területen kóborolnak. Egyesek elkerülhetetlenül ütköznek a csillagközi gázokkal, és semlegessé válnak. A semleges részecskékre egy újabb évnyi utazás vár: a helioszféra szélétől visszatérnek az IBEX-hez – ha éppen a megfelelő irányba haladnak. Az itt képződött semleges részecskék közül csak kevés éri el az IBEX-et. A műszer által észlelhető legnagyobb energiájú részecskéknek két–három évig tart az út, a kisebb energiájúaknak még tovább.

Animáció a Napot elhagyó töltött részecskék útjáról a mágneses hüvelyig. A részecske egy hidrogénatommal ütközik, elveszi annak elektronját, és semlegessé válik. Ezután érkezik meg az IBEX érzékelőihez. (Forrás: NASA/Goddard Space Flight Center)

Az IBEX azt használja ki, hogy az ilyen semleges atomokat nem téríti el a Nap mágneses tere: az új semleges részecskék szinte egyenes vonalban hagyják el az ütközéseket.

Az űrszonda ezeket a részecskéket keresi, megfigyeli az irányukat és az energiájukat. Másodpercenként nagyjából egyet észlel közülük. Az eredmény a csillagközi tér peremének térképe, amely a denevérek által használt echolokációhoz hasonló elven hozható létre. Az IBEX a semleges részecskék kiinduló helyzetét és az indulás időpontját vizsgálva feltérképezheti a helioszféra távoli határait.

Az IBEX több mint 11 év alatt gyűjtött adatai alapján a McComas által vezetett kutatócsoport tanulmányozhatta az adatokban az évek során történt változásokat.

A napszél folytonos, de nem állandó. Amikor a szél feltámad, a helioszféra felfújódik, mint egy lufi: a semleges részecskék száma megnő a külső széleken. Amikor a szél lecsillapodik, a lufi összehúzódik: a semleges részecskék száma lecsökken. A kutatók szerint a semleges részecskék számának változása két-három évvel később követi a napszél változásait – igazodva az útjukhoz, amit megtesznek a lufi széléig és vissza.

Animáció a napciklus hatására kitáguló és összehúzódó helioszféráról. (Forrás: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

2009 és 2014 között a napszél gyenge és állandó volt: csak egy kellemes fuvallat. A helioszféra összehúzódott. Ekkor jött a meglepetés: mintha a Nap sóhajtott volna egy nagyot. 2014 végén a Föld körül keringő űrszonda 50%-os nyomásnövekedést érzékelt a napszélben (amely több évig meg is maradt). Két évvel később a napszél erősödése a semleges részecskék feldúsulásához vezetett a mágneses hüvelyben. Újabb két évvel később a részecskék már megtöltötték a helioszféra orrát, és végül átömlöttek a helioszféra északi és déli pólusainál.

Ezek a változások nem voltak szimmetrikusak, és mindegyiket a helioszféra alakváltozása követte. A kutatókat meglepte, milyen pontosan látszik a napszél lökéshulláma a heliopauza alakján.

Ahogy a Nap halad a csillagközi közegben, a hajók orránál lévő hullámhoz hasonló forró, sűrű hullámot vet. Az illusztráción sötétebb kékkel jelenik meg ez a hullámzó határ. A kutatók az IBEX segítségével megismerhetik a helioszféra alakját, amely egy üstökös csóvájához hasonlítható. (Forrás: NASA’s Scientific Visualization Studio/Conceptual Imaging Lab)

Az IBEX a helioszféra „hátuljáról”, a csóváról még nem rögzített adatokat, ami azt jelenti, hogy a csóva vége sokkal távolabb van a Naptól, mint az eleje: az onnan induló részecskéknek sokkal nagyobb utat kell megtenniük. Lehet, hogy a nagyobb nyomású napszél még mindig a csóva vége felé tart, vagy a semleges részecskék már úton vannak visszafelé. Az elkövetkező években az IBEX kutatócsoportja keresni fogja a csóva végéről visszatérő jeleket.

Összességében úgy néz ki, hogy a helioszféra alakja leginkább egy üstökösre hasonlít. Ez évek óta vita tárgya. Egyesek szerint a buborék gömb alakú, mások szerint inkább egy croissant-ra emlékeztet. Az IBEX új adatai egyértelműen azt mutatják, hogy a helioszféra reakciója a napszél nyomására aszimmetrikus, így magának a helioszférának is aszimmetrikusnak kell lennie. A Nap az első részén helyezkedik el, és ahogy halad az űrben, a csóva sokkal távolabb követi, valahogy úgy, mint egy üstököst a csóvája.

Az IBEX által nyújtott adatbázis a helioszféra egy másik izgalmas jelenségére, az úgynevezett IBEX szalagra is magyarázatot adhat, ami az űrszonda egyik legnagyobb felfedezése. 2009-ben a csillagászok semleges részecskék hatalmas áramára lettek figyelmesek, amely végighúzódik a helioszféra elülső részén. Ez sokáig megosztotta a kutatókat: mitől különbözik ez a terület a többitől?

Idővel az IBEX megmutatta, hogy más alakítja ki a szalagot, mint a csillagközi tér többi részét. A szalag a mágneses térnek köszönheti az alakját. De hogyan jönnek létre a szalag részecskéi? A kutatók szerint egy másodlagos folyamat lehet érte a felelős, amelynek hatására a semleges részecskék egy csoportja kétszer annyi ideig utazik, mint a többi.

Miután semlegessé váltak, a részecskék nem pattannak vissza az IBEX felé, hanem az ellenkező irányba indulnak, és a heliopauzán keresztül a csillagközi térbe jutnak. Ott belekóstolnak a Lokális Csillagközi Felhőbe, és addig utaznak, amíg néhányuk össze nem ütközik az ott áthaladó töltött részecskékkel. Ezek ismét elvesztenek egy elektront, és a környező mágneses térhez kötődnek.

A szalag az IBEX egyik legnagyobb felfedezése. A semleges részecskék hatalmas árama a helioszféra elülső részén húzódik végig. (Forrás: NASA/IBEX)

Miután újabb két év vagy még több idő telik el, a töltött részecskék ismét ütközhetnek lassabb társaikkal, ugyanúgy elektronokat lopva, mint korábban. A helioszférán túli rövid vándorlás után a kétszer született semleges részecskék valószínűleg hazatérnek.

Az IBEX kiterjesztett adatbázisának segítségével a kutatók a szalagot a részecskék hosszú csillagközi vándorlásával hozták összefüggésbe. A szalagot alkotó részecskék körülbelül két évvel tovább utaztak, mint a megfigyelt többi részecske. Amikor a napszél megerősödött, a szalag két évvel később reagált rá, mint a helioszféra többi része.

Az IBEX már rég túl van két évre tervezett küldetésén. Hamarosan csatlakozik hozzá szintén McComas vezetésével az IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) űrszonda. Az új küldetés várhatóan 2024 második felében kezdődik.

„Az IMAP kiváló lehetőséget nyújt majd arra, hogy nagy felbontásban és nagy érzékenységgel vizsgáljuk meg, amit az IBEX megmutatott, így igazán pontosan megismerhetjük a kinti világ fizikáját.” – mondta McComas.

Forrás: NASA

Hozzászólás

hozzászólás