"Caratteristiche tridimensionali dell'eliosfera esterna dovute all'accoppiamento tra il campo magnetico interstellare ed eliosferico. V. L'onda di prua, Strato limite eliosferico, instabilità, and Magnetic Reconnection" è apparso originariamente lo scorso agosto nel Giornale Astrofisico , una pubblicazione dell'American Astronomical Society. Ma la carta, i cui coautori includono due ricercatori dell'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH), ha recentemente ricevuto una rinnovata attenzione grazie alle sue intuizioni uniche sui fenomeni fisici che si verificano all'interfaccia eliosferica.

Il dott. Nikolai Pogorelov e il dott. Jacob Heerikhuisen sono entrambi docenti del Dipartimento di scienze spaziali e ricercatori del Centro per la ricerca aeronomica e plasma spaziale dell'UAH, di cui il Dr. Heerikhuisen funge da direttore associato. Le loro precedenti collaborazioni includono, tra decine di altri, co-autore di articoli sui protoni distribuiti in nel vento solare e il loro accoppiamento di scambio di carica con l'idrogeno energetico e l'effetto dei nuovi parametri del mezzo interstellare sull'eliosfera e sugli atomi neutri energetici dal confine interstellare.

Gran parte del loro lavoro consiste nel risolvere complessi modelli matematici di processi fisici utilizzando supercomputer, in particolare Acque Azzurre, come parte del Petascale Computing Research Allocation Program della National Science Foundation. Dottor Pogorelov, che serve come membro del comitato consultivo del team di scienza e ingegneria di Blue Waters, afferma che lui e i suoi coautori sono grati per le opportunità offerte dal programma.

Per questo studio, i ricercatori hanno ristretto la loro attenzione sull'eliopausa, il confine tra il vento solare e il mezzo interstellare locale. Più specificamente speravano di spiegare i dati osservativi ottenuti da Voyager 1 e Voyager 2, Le sonde spaziali della NASA lanciate nel 1977, e l'esploratore di confini interstellari, un satellite della NASA lanciato nel 2008.

"Avevamo bisogno di aumentare enormemente la risoluzione della rete, per "ingrandire" la regione vicino all'eliopausa, "dice il dottor Pogorelov, un membro 2017 dell'American Physical Society. "Quindi abbiamo usato il perfezionamento della mesh adattiva nelle nostre simulazioni dell'interazione del vento solare con il mezzo interstellare locale". Il team ha anche impiegato simulazioni 3D magnetoidrodinamiche di plasma/atomo neutro cinetico, e insieme queste tecniche hanno permesso loro di dimostrare che sul lato interstellare dell'eliopausa dovrebbe essere osservato uno strato limite distinto di densità del plasma ridotta e campo magnetico potenziato.

"Siamo stati in grado di distinguere l'aumento della densità del plasma attraverso l'eliopausa dall'ulteriore aumento della densità nello strato limite eliosferico, ", dice. "E abbiamo dimostrato che il comportamento simulato della densità nello strato limite eliosferico concorda bene con la frequenza misurata delle onde di plasma rilevate nel mezzo interstellare locale dallo strumento per onde di plasma a bordo della Voyager 1."

Parlando in generale, la frequenza del plasma dovrebbe continuare ad aumentare fino a quando il veicolo spaziale non lascia lo strato limite eliosferico. Però, effetti dipendenti dal tempo come il ciclo solare possono provocare periodi di frequenza del plasma quasi costante, che a loro volta vengono poi ulteriormente superate dalla tendenza generale di densità crescente. Il Dr. Pogorelov e il suo team sostengono che lo strato limite eliosferico non è il risultato dell'anisotropia del plasma, come si trova negli strati di esaurimento del plasma nella magnetosfera terrestre; piuttosto, è dovuto allo scambio di carica tra atomi di H neutri e protoni.

Dal punto di vista del mezzo interstellare locale, la densità del plasma aumenta man mano che il mezzo interstellare locale si avvicina all'eliopausa finché non entra nello strato limite eliosferico. "L'influenza dello scambio di carica sulle quantità davanti e dietro un possibile shock all'interno di un'onda di prua è stata scoperta alcuni decenni fa, ", dice. "Ma siamo stati in grado di distinguere il contributo di un aumento correlato allo shock a un aumento più graduale all'interno di una cosiddetta onda di prua". I risultati prodotti dal modello utilizzato dal team erano coerenti con le osservazioni a distanza e in loco. da IBEX, Odisseo, e la navicella spaziale Voyager. "È stato dimostrato che il contributo di un sub-shock è solitamente piccolo rispetto all'aumento di densità complessivo per il vento solare realistico e le proprietà del mezzo interstellare locale".

Le simulazioni del modello sono state anche in grado di dimostrare che non vi è alcun "salto" nell'ampiezza del campo magnetico attraverso l'eliopausa riproducendo la rotazione del vettore del campo magnetico attraverso l'eliopausa, in linea con le osservazioni di Voyager I. "Il comportamento instabile dell'eliopausa mostra che la Voyager 1 potrebbe aver attraversato le regioni consecutive occupate dal vento solare e dal plasma locale interstellare mentre si dirigeva nello spazio interstellare, " dice il dottor Pogorelov. "Questo scenario è in accordo qualitativo con le osservazioni del Voyager I di un numero di aumenti e diminuzioni consecutivi nel flusso di raggi cosmici galattici".

Il successo finale dello studio è stata la sua capacità di dimostrare, per la prima volta in simulazioni globali, che l'interruzione dell'eliopausa può essere dovuta all'instabilità della modalità di lacerazione, eventualmente accompagnando la riconnessione magnetica. "Abbiamo dimostrato che le osservazioni di Voyager 1 e 2 nell'elioguaina interna tra lo shock di terminazione eliosferica e l'eliopausa sono coerenti con la dissipazione del campo magnetico eliosferico nelle regioni spazzate dal foglio di corrente eliosferica globale, che può essere interpretato come l'equatore magnetico per il campo magnetico eliosferico."

Con questa conoscenza in mano, i ricercatori stanno ora guardando avanti alla fase successiva del loro studio. "Il nostro lavoro futuro mira a studiare l'effetto del vento solare e della turbolenza media interstellare locale sulla riconnessione magnetica e sulle instabilità vicino all'eliopausa, " dice il dottor Pogorelov. "In particolare, vogliamo utilizzare le misurazioni delle proprietà turbolente di Voyager 1 e Voyager 2, che sono disponibili con altissima precisione, e utilizzare questi dati nelle simulazioni. Possiamo anche creare un modello che descriva le proprietà della turbolenza." Il risultato, lui continua, "sarà una combinazione di osservazione, teoria, e simulazione" - e senza dubbio dovrebbe fornire intuizioni altrettanto interessanti sull'eliopausa.