Astronomen maken eerste 3D-kaart van de heliopauze

De heliosfeer van ons zonnestelsel is het gebied waarin de zonnewind de overheersende stroom van deeltjes is. Het gebied wordt begrensd door de heliopauze, de uiterste grens van het zonnestelsel. waar de kracht van de zonnewind zo sterk is afgenomen dat ze wordt opgeheven door de stroming van deeltjes die het interstellair medium vormen. Een team astronomen van het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory (LANL) heeft recent de allereerste 3D-kaart van de heliopauze gemaakt. De kaart is samengesteld met behulp van data afkomstig van NASA’s IBEX-satelliet. IBEX staat voor ‘Interstellar Boundary Explorer’ en draait in een baan om de aarde. De gebruikte data voor de kaart betreft een volledige zonnecyclus tussen 2009 en 2019.

Structuur van het zonnestelsel en omliggende ruimte Credits; NASA/JPL

IBEX werd in 2008 gelanceerd met de bedoeling om de interacties tussen het interstellaire medium en zonnewinden te registreren. Deze krachtige zonnewinden, die enorme snelheden kunnen bereiken en bestaan uit protonen, elektronen en alfa-deeltjes, geven vorm aan de belachtige heliosfeer. De grenslaag rond de heliosfeer staat bekend als de heliosheath, en daarbinnen bevindt zich de heliopauze, de uiterste rand van deze grenslaag. Een van de functies van de IBEX-satelliet is het detecteren van deeltjes die uit de heliosheath komen, en daaronder is een ‘bijproduct’ van botsingen tussen de zonnewind en de interstellaire wind, energetisch neutrale atomen (ENA’s) genoemd. Hoe sterker de zonnewind wanneer deze in de heliosheath botst, hoe hoger het aantal ENA’s dat de IBEX-satelliet zal detecteren.

3D-kaart heliosfeer Credits; Los Alamos National laboratory, DOE

“Het ‘zonnewind-signaal’ dat door de zon wordt uitgezonden, varieert in sterkte en vormt een uniek patroon”, aldus Daniel B. Reisenfeld, hoofdauteur van het wetenschappelijk artikel dat op 10 juni j.l. gepubliceerd is in The Astrophysical Journal, en vervolgt: “IBEX zal datzelfde patroon zien in het terugkerende ENA-signaal, twee tot zes jaar later, afhankelijk van de ENA-energie en de richting waarin IBEX door de heliosfeer ‘kijkt’. M.b.v. dit tijdsverschil vinden we de afstand tot het ENA-brongebied in een bepaalde richting.”

Heliosfeer (bruin), interstellair medium (blauw), waartussen de grens de ‘heliopauze’ligt. Credits; LANL/IBEX

De wetenschappers vergelijken dit met de manier waarop vleermuizen sonar gebruiken om hun omgeving in kaart te brengen. Maar in plaats van sonarpulsen te gebruiken om grotten in kaart te brengen, gebruikte het team de zonnewind om de eerste 3D-kaart van de heliosfeer’s grens te bouwen. Deze nieuwe kaart laat zien dat de kortste afstand tussen de zon en de heliopauze, in de richting van de interstellaire wind, 120 astronomische eenheden (één AU is de afstand van de aarde tot de zon) is. In de tegenovergestelde richting strekt de heliopauze zich uit over minstens 350 AU van de zon. “Natuurkundige modellen hebben deze grens jarenlang getheoretiseerd”, aldus Reisenfeld. “Maar dit is de eerste keer dat we het echt hebben kunnen meten en er een driedimensionale kaart van hebben gemaakt.” Onderstaande video geeft een overzicht van het onderzoek. Bron; LANL

Nu heeft ook Voyager 2 het zonnestelsel verlaten

Schematische weergave van de plek waar de Voyagers 1 en 2 zich nu bevinden. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Voyager 2 has left the solar system. Zeven jaar geleden deed de Voyager 1 dat al, maar nu heeft ook de Voyager 2 – beiden zijn in 1977 enkele weken na elkaar gelanceerd (zie de videobeelden hieronder) – na een zeer lange reis van bijna 42 jaar het interstellaire medium (ISM) bereikt, het gebied buiten de boeggolf van de heliosheath, de scherpe grens tot waar de constante stroom geladen deeltjes van de zonnewind reikt. Die deeltjes vormen een gigantische plasmabubbel en op 5 november j.l. werd een plotseling afname geconstanteerd in het ‘plasmagolf-instrument’ van de Voyager 2, hét teken dat de ISM is bereikt. Dat gebeurde op het moment dat ‘ie op 119,7 Astronomische Eenheden (AE) van de zon stond, 1 AE is de afstand tussen aarde en zon, 149 miljoen km, dus toen z’n afstand ruim 17,7 miljard km was. Tweelingbroer Voyager 1 bereikte de interstellaire ruimte bij 122,6 AE afstand, ruim 18,2 miljard km afstand. De passage laat zien dat de heliosfeer rondom de zon symmetrisch is. De Voyager 1 staat inmiddels op 146 AE afstand, 21,7 miljard km.

In Nature Astronomy verschenen deze week vijf artikelen over de passage van de Voyager 2 in het interstellaire medium. Bron: Universiteit van Iowa.

Voyager 1 heeft de interstellaire ruimte nog altijd niet bereikt

De beide Voyagers naderen de rand van de heliosfeer. Credit: NASA/JPL-Caltech

Voyager 1 bevindt zich inmiddels op een afstand van meer dan 18 miljard kilometer van de zon. Maar de gegevens die de ruimtesonde naar de aarde zendt wijzen erop dat hij zich nog steeds binnen de heliosfeer – de magnetische invloedssfeer van de zon – bevindt. Al jaren kijken astronomen uit naar het moment waarop Voyager 1 daadwerkelijk de interstellaire ruimte betreedt. Daartoe moet aan drie voorwaarden zijn voldaan: er worden geen geladen deeltjes van de zon meer gemeten, er worden juist heel veel geladen deeltjes uit de interstellaire ruimte waargenomen en de richting van het magnetische veld dat de ruimtesonde detecteert verandert abrupt van richting. Met die derde voorwaarde wil het maar niet lukken. Afgaande op de geladen deeltjes die Voyager 1 detecteert zou je zeggen dat hij zich al in de interstellaire ruimte bevindt. Maar nog steeds heeft het magnetische veld van de zon de overhand. Wetenschappers hebben eigenlijk geen idee hoe lang het nog duurt voordat Voyager 1 het zonnestelsel definitief heeft verlaten. Dat kan een kwestie van maanden zijn, maar evengoed kan het nog jaren duren voordat het zover is. Voyager 1 werd, samen met zijn soortgenoot Voyager 2, in 1977 gelanceerd voor een tour langs de planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Sinds 1990 heeft het tweetal nog maar één taak: vaststellen waar het zonnestelsel ophoudt en de interstellaire ruimte begint. Bron: Astronomie.nl Noot: We hebben het hier over de elektromagnetische interstellaire ruimte – de plaats waar de elektromagnetische invloed van de zon ophoudt. De zwaartekrachtinvloed van de zon strekt zich echter veel verder uit: zowel de dwergplaneet Sedna als de Oortwolk bevinden zich buiten de heliosfeer!

Meer bekend over interstellaire medium buiten ons zonnestelsel

Credit: NASA/Goddard

Ons zonnestelsel wordt omgeven door een grote magnetische bel, waarin continue deeltjes worden geblazen die afkomstig zijn van de zon. Die deeltjes van de zonnewind komen in botsing met de deeltjes van het zogenaamde interstellaire medium (ISM) en de plek waar die botsing plaatsvindt heet de heliosheath, een deel van de heliosfeer rondom de zon. Op de afbeelding hiernaast is dat het gedeelte met die blauwe en rode strepen. Geladen deeltjes vanuit de ISM komen niet door de heliosheath heen, maar neutrale deeltjes kunnen dat wel. En dat zijn precies de deeltjes die met NASA’s Interstellar Boundary Explorer (IBEX) zijn waargenomen. Met die satelliet kunnen ze de gehele hemel in één jaar tijd afstruinen naar neutrale deeltjes afkomstig van buiten het zonnestelsel en dat hebben ze nu al drie jaar achtereen gedaan. Het resultaat is dat men heeft kunnen vaststellen in welke verhoudingen waterstof, zuurstof, neon en helium in het ISM voorkomen en dat blijkt te verschillen van de verhoudingen in het zonnestelsel. Zo zijn er in het ISM op iedere 20 neonatomen 74 zuurstofatomen, terwijl dat 20:111 in het zonnestelsel is.

Credit: NASA/Goddard

Ons zonnestelsel heeft dus verhoudingsgewijs meer zuurstof – essentieel voor het ontstaan van leven – en de grote vraag is natuurlijk hoe dat kan. Er is een mogelijkheid dat het zonnestelsel ergens anders in het Melkwegstelsel is ontstaan, in een gebied waar meer zuurstof is, óf dat er in het ISM wel zuurstof is, maar dat het verborgen zit in bijvoorbeeld stof- of ijsdeeltjes. Het zonnestelsel moet zo’n 45.000 jaar geleden terecht zijn gekomen in de lokale ISM, waar het zich nu bevindt. Met IBEX kon men ook de snelheid meten waarmee de deeltjes van het ISM tegen de heliosheath botsen: maar liefst 84.000 km per uur, 12% langzamer dan men eerst op basis van metingen met een andere satelliet – Ulysses – dacht. Die ‘galactische wind’ – welke windkracht zou dat opleveren, die 84.000km/u? – komt vooral uit de richting van het sterrenbeeld Schorpioen en is naar de zon gericht.  Meer informatie over de waarnemingen met IBEX aan het ISM dat het zonnestelsel omringt in de volgende video:

Bron: NASA.