Cosa succede quando il vento solare inizia improvvisamente a soffiare molto più forte? Secondo due recenti studi, i confini del nostro intero sistema solare si gonfiano verso l'esterno e un'analisi delle particelle che rimbalzano dai suoi bordi rivelerà la sua nuova forma.

Alla fine del 2014, La navicella spaziale della NASA ha rilevato un cambiamento sostanziale nel vento solare. Per la prima volta in quasi un decennio, la pressione del vento solare - una misura combinata della sua velocità e densità - era aumentata di circa il 50 percento ed è rimasta così per diversi anni da allora in poi. Due anni dopo, l'esploratore di confini interstellari, o IBEX, la navicella spaziale ha rilevato il primo segno delle conseguenze. Le particelle del vento solare dall'aumento di pressione del 2014 avevano raggiunto il bordo dell'eliosfera, si sono neutralizzati, e sparato fino alla Terra. E avevano una storia da raccontare.

In due recenti articoli, gli scienziati hanno utilizzato i dati IBEX insieme a sofisticati modelli numerici per capire cosa possono dirci questi atomi in rimbalzo sulla forma e la struttura in evoluzione della nostra eliosfera, la gigantesca bolla scolpita dal vento solare.

"I risultati mostrano che l'aumento della pressione del vento solare del 2014 si è già propagato dal Sole all'eliosfera esterna, trasformando ed espandendo i confini della nostra eliosfera nella loro direzione più vicina, "ha detto David McComas, il ricercatore principale per la missione IBEX presso la Princeton University di Princeton, New Jersey. "I dati IBEX che arriveranno nei prossimi anni ci consentiranno di tracciare l'espansione e la struttura in evoluzione delle altre porzioni dei confini esterni dell'eliosfera".

Dal Sole al confine del sistema solare, e ritorno Al punto cruciale della storia ci sono atomi neutri energetici, particelle ad alta energia prodotte ai margini del nostro sistema solare.

Poiché il vento solare esce dal Sole a velocità supersoniche, fa esplodere una bolla nota come eliosfera. L'eliosfera racchiude tutti i pianeti del nostro sistema solare e gran parte dello spazio al di là di essi, separando il dominio del nostro Sole da quello dello spazio interstellare.

Ma il viaggio del vento solare dal Sole non è un viaggio tranquillo. Sulla strada per il confine della nostra eliosfera, conosciuta come l'eliopausa, il vento solare passa attraverso strati distinti. Il primo di questi è noto come shock di terminazione.

Prima di superare lo shock di terminazione, il vento solare si espande rapidamente, in gran parte non ostacolato da materiale esterno.

"Ma allo shock di fine, a circa 9,3 miliardi di miglia da noi in ogni direzione, il vento solare rallenta bruscamente. Oltre questo punto continua a muoversi verso l'esterno, ma è molto più caldo, "ha detto Eric Zirnstein, autore principale di uno dei giornali a Princeton.

Una volta superato lo shock di terminazione, le particelle del vento solare entrano in una zona limbo speciale nota come elioguaina. Mentre lo shock di terminazione è essenzialmente sferico, si pensa che i bordi dell'eliosfera descrivano più di un arco attorno al Sole mentre si muove nello spazio, più vicino al Sole verso la parte anteriore, e si estende a lungo dietro di esso, non diversamente da una cometa con la coda. Lungo questi confini, le particelle del vento solare si mescolano con le particelle dello spazio interstellare. Le collisioni sono inevitabili:il caldo, le particelle del vento solare caricate elettricamente colpiscono il più lento, atomi neutri più freddi dallo spazio interstellare, rubando un elettrone e diventando essi stessi neutrali.

"Da lì viaggiano balisticamente attraverso lo spazio, e alcuni riescono a tornare sulla Terra, Zirnstein ha detto. "Questi sono gli atomi energetici neutri che IBEX osserva."

Alla fine del 2016, quando l'energico imager dell'atomo neutro di IBEX ha iniziato a rilevare un segnale insolitamente forte, Il professor McComas e il suo team hanno deciso di indagare sulla causa. I loro risultati sono riportati in un articolo pubblicato il 20 marzo, 2018, nel Lettere per riviste astrofisiche .

Gli atomi energetici neutri provenivano da circa 30 gradi a sud della direzione interstellare sopravento, dove si sapeva che l'elioguaina era più vicina alla Terra.

Per quantificare la sua connessione con l'aumento della pressione del vento solare del 2014, McComas e il suo team si sono rivolti alle simulazioni numeriche, capire come un tale aumento di pressione potrebbe influenzare gli atomi neutri energetici che IBEX osserva.

"Questo tipo di simulazioni implica un modello per la fisica, che poi si trasforma in equazioni, che a loro volta vengono risolti su un supercomputer, " disse Jacob Heerikhuisen, coautore di entrambi gli articoli presso l'Università dell'Alabama a Huntsville.

Utilizzando modelli di computer, il team ha simulato un'intera eliosfera, lo ha scosso con un aumento della pressione del vento solare, e lascia che esegua i numeri. La simulazione ha completato una storia solo accennata dai dati.

Secondo la simulazione, una volta che il vento solare colpisce lo shock di terminazione, crea un'onda di pressione. Quell'onda di pressione continua fino al bordo dell'eliosfera e rimbalza parzialmente all'indietro, costringendo le particelle a scontrarsi all'interno dell'ambiente elioguaina (ora molto più denso) che è appena passato. È lì che sono nati gli atomi energetici neutri osservati da IBEX.

Le simulazioni hanno fornito un caso convincente:IBEX stava infatti osservando i risultati dell'aumento della pressione del vento solare del 2014, più di due anni dopo.

Ma la simulazione non si è fermata qui. Ha anche rivelato che l'aumento della pressione del vento solare del 2014 avrebbe, col tempo, continuare a far esplodere ulteriormente l'eliosfera. Tre anni dopo l'aumento della pressione del vento solare, al momento della pubblicazione dell'articolo, lo shock la bolla interna all'interno dell'eliosfera, dovrebbe espandersi di sette unità astronomiche, o sette volte la distanza dalla Terra al Sole. L'eliopausa, la bolla esterna, dovrebbe espandersi di due unità astronomiche, con altri due l'anno successivo.

In breve, aumentando la pressione del vento solare, la nostra eliosfera oggi è più grande di quanto non fosse solo pochi anni fa.

La nuova forma dell'eliosfera

McComas e colleghi hanno studiato i primissimi segni dell'aumento della pressione del vento solare del 2014. Ma guardare i dati nei prossimi anni potrebbe dirci ancora di più, questa volta sulla forma in evoluzione della nostra eliosfera.

"Ci sono stati molti studi, alcuni di un po' di tempo fa, prevedere come dovrebbe essere la forma dell'eliosfera, "Zirstein, l'autore principale dell'articolo, rapporti. "Ma è ancora molto in discussione nella comunità dei modellisti. Speriamo che l'aumento della pressione del vento solare del 2014 possa aiutare in questo".

Utilizzando gli stessi dati e simulazioni utilizzati nel documento precedente, Zirnstein e colleghi hanno portato avanti l'orologio, modellando l'eliosfera otto anni dopo l'aumento della pressione del vento solare del 2014. I risultati descrivono non solo il passato, ma anche modellare il futuro. Il documento è stato pubblicato il 30 maggio 2018, su Il Giornale Astrofisico.

"Quello che pensiamo di dover vedere nel prossimo futuro è un anello, espandendosi nel cielo, segnando il cambiamento nel flusso di atomi neutri energetici nel tempo, " ha detto Zirnstein. "Questo anello si espande lontano dal punto di contatto iniziale nell'eliosfera esterna, verso le direzioni della coda dell'elio."

Sebbene il segnale iniziale rilevato da IBEX nel 2016 fosse un cerchio solido, non rimarrà così. Mentre il vento solare del 2014 raggiunge punti dell'eliopausa sempre più lontani, impiegano più tempo a riprendersi, come un'eco di un muro lontano. La forma arrotondata dell'eliosfera fa sì che questa eco si rifletta sotto forma di un anello.

Ma la scoperta chiave è arrivata guardando l'anello mentre si espande.

Nella loro simulazione, Zirnstein e colleghi hanno scoperto che la velocità precisa con cui l'anello si espande dipendeva in parte dalle distanze tra i vari strati dell'eliosfera:lo shock di terminazione, l'eliopausa, e la parte dell'elioguaina dove venivano prodotti i neutri energetici. Zirnstein si rese conto di aver trovato un nuovo modo per misurare le dimensioni e la forma dell'eliosfera.

"Potremmo stimare le distanze dai diversi confini dell'eliosfera semplicemente osservando questo anello che cambia nel tempo nel cielo, ", ha detto Zirnstein.

Zirnstein e colleghi hanno usato la loro eliosfera simulata per eseguire uno studio di prova. Misurando il tasso di espansione dell'anello (e inserendolo nelle giuste equazioni), potrebbero riprodurre accuratamente le distanze dalle strutture chiave all'interno della loro eliosfera simulata. Poiché sapevano quali erano quelle distanze nella loro simulazione, potevano controllare il loro lavoro, confermando che la tecnica ha ottenuto le risposte giuste e dovrebbe essere accurata quando applicata all'eliosfera reale.

Le deformità nell'anello - deviazioni da un cerchio perfetto - potrebbero anche rivelare asimmetrie nella forma complessiva dell'eliosfera. "Dipende da quanto sia simmetrica o asimmetrica l'eliosfera, Zirnstein aggiunse. "Se l'eliosfera fosse una 'forma di cometa ideale, ' l'anello dovrebbe espandersi simmetricamente nel tempo. Ma in realtà probabilmente non accadrà:dovremo aspettare e vedere cosa ci dirà IBEX".

Zirnstein ha espresso entusiasmo per la possibilità di apprendere la vera forma dell'eliosfera.

"Nei prossimi anni con più dati IBEX, la mia speranza è che possiamo costruire un'immagine 3D della forma dell'eliosfera, ", ha detto Zirnstein.

I risultati di questi due studi hanno importanti implicazioni pratiche. "Collegare i cambiamenti nel Sole con le osservazioni di atomi neutri energetici ci aiuterà a comprendere i cambiamenti a lungo termine nelle condizioni pericolose per l'ambiente delle radiazioni spaziali, una sorta di clima spaziale opposto al clima spaziale, " disse McComas. "Mentre il vento solare soffia sempre meno forte, e la nostra bolla solare si espande e si contrae, che influenza direttamente la quantità di raggi cosmici che possono entrare nell'eliosfera, potenzialmente in pericolo per gli astronauti nei voli spaziali di lunga durata".

Ma i risultati sottolineano anche l'incredibile potere della nostra stella più vicina. Cambiamenti sul Sole, compreso il vento solare, avere conseguenze significative estendendo miliardi di miglia nello spazio dove, ad oggi, solo le due navicelle Voyager si sono mai avventurate. Con tecniche come l'imaging energetico dell'atomo neutro, non possiamo solo immaginare, ma misurare con precisione queste parti lontane dell'eliosfera, la nostra casa nella galassia.