Ben oltre le orbite dei pianeti ci sono i contorni nebulosi dell'eliosfera, la bolla magnetica nello spazio che chiamiamo casa. Questa flessibile bolla cosmica si allunga e si restringe in risposta ai sussulti e ai sospiri del sole.

Ora, per la prima volta, un team di scienziati guidati da David McComas di Princeton ha raccolto un intero ciclo solare di dati dal veicolo spaziale IBEX della NASA, che hanno usato per studiare come l'eliosfera cambia nel tempo. I cicli solari durano circa 11 anni, mentre il sole oscilla dalle stagioni di alta a bassa attività e viceversa. Gli scienziati erano ansiosi di utilizzare il record di 11 anni di IBEX per osservare i cambiamenti ai margini dell'eliosfera. I risultati mostrano la forma dell'eliosfera, oggetto di dibattito negli ultimi anni, e suggeriscono i processi dietro una delle sue caratteristiche più sconcertanti. Questi risultati, insieme a un set di dati appena messo a punto, sono stati pubblicati in I supplementi del giornale di astrofisica il 10 giugno.

"È questa missione molto piccola, " ha detto McComas, il ricercatore principale per la missione e un professore di scienze astrofisiche. STAMBECCO, abbreviazione di Interstellar Boundary Explorer, ha le dimensioni di un pneumatico per autobus. "Ha avuto un enorme successo, durare molto più a lungo di quanto ci si aspettasse. Siamo fortunati ora ad avere un intero ciclo solare di osservazioni".

Mappare il confine del sistema solare, una particella alla volta

La bolla dell'eliosfera è riempita dal vento solare, il flusso costante di particelle cariche dal sole. Il vento solare si precipita in tutte le direzioni, un milione di miglia all'ora, fino a sbattere contro il mezzo interstellare, venti di altre stelle che riempiono lo spazio tra di loro.

Mentre il sole attraversa il mezzo interstellare, genera un caldo, onda densa molto simile all'onda di prua di una barca. I dintorni cosmici della nostra eliosfera sono conosciuti come Local Fluff, una nuvola di gas incandescenti. Dove il vento solare incontra il Local Fluff è il confine dell'eliosfera, chiamato l'eliopausa. Proprio all'interno si trova una regione turbolenta chiamata elioguaina.

IBEX si concentra su minuscole particelle chiamate atomi neutri energetici che si creano quando sono calde, particelle cariche come quelle del vento solare si scontrano con neutri freddi come quelli che fluiscono dallo spazio interstellare. Zippy particelle del vento solare possono strappare elettroni da pesanti atomi interstellari, diventando essi stessi neutrali.

Ci vuole circa un anno perché una raffica di vento solare sfrecci sui pianeti, oltre la cintura di asteroidi e la cintura di Kuiper, al bordo dell'eliosfera, un viaggio 100 volte la distanza tra il sole e la Terra. Lungo la strada, il vento solare raccoglie atomi ionizzati di gas interstellari che sono entrati nell'eliosfera. Il vento solare che arriva al bordo non è lo stesso vento che ha lasciato il sole un anno prima.

Le particelle del vento solare potrebbero trascorrere altri sei mesi vagando nel caos dell'elioguaina, il golfo tra i due confini esterni dell'eliosfera. Inevitabilmente, alcuni si scontrano con i gas interstellari e diventano neutri energetici. Ci vuole le particelle neutre vicino a un altro anno per il viaggio di ritorno, attraversando lo spazio dal bordo dell'eliosfera fino a IBEX, e questo solo se le particelle si stanno dirigendo esattamente nella giusta direzione. Di tutte le particelle neutre formate, solo pochi arrivano effettivamente a IBEX. L'intero viaggio dura dai due ai tre anni per le particelle a più alta energia nel raggio di osservazione dell'IBEX, e anche più a lungo a energie più basse o regioni più lontane.

IBEX sfrutta il fatto che atomi neutri come questi non vengono deviati dal campo magnetico del sole:particelle neutre fresche si allontanano dalle collisioni quasi in linea retta.

IBEX sonda i cieli per le particelle, notando la loro direzione ed energia. La navicella ne rileva solo uno ogni due secondi. Il risultato è una mappa che si costruisce lentamente del confine interstellare, realizzato con lo stesso principio utilizzato da un pipistrello per ecolocalizzare la sua strada durante la notte:monitorare i segnali in arrivo per apprendere costantemente di più sull'ambiente circostante. Studiando da dove provengono i neutri, e quando, IBEX può tracciare i confini remoti della nostra eliosfera.

"Siamo così fortunati ad osservarlo dall'interno dell'eliosfera, " ha detto Justyna Sokół, che è stato Visiting Fellow del programma NAWA Bekker a Princeton dal 2019 al 2020.

Utilizzando gli oltre 11 anni di dati di IBEX, McComas e il suo team hanno osservato il vento solare in continua evoluzione. Hanno visto che quando il vento soffia, l'eliosfera si gonfia come un pallone, e le particelle neutre si sollevano alle frange esterne. Quando il vento si calma, il pallone si contrae; le particelle neutre diminuiscono. La conseguente altalena di particelle neutre, gli scienziati hanno riferito, echeggiava costantemente due o tre anni dopo i cambiamenti del vento, riflettendo il loro viaggio fino al confine del sistema solare e ritorno.

"Ci vogliono così tanti anni perché questi effetti raggiungano il limite dell'eliosfera, " ha detto Jamey Szalay, ricercatore associato in astrofisica e membro del team IBEX. "Per noi avere così tanti dati da IBEX ci permette finalmente di fare queste correlazioni a lungo termine".

Modellare l'eliosfera

Dal 2009 al 2014, il vento soffiava abbastanza basso e costante, una leggera brezza. L'eliosfera si contrasse. Poi venne un'ondata di sorpresa nel vento solare, come se il sole facesse un grande sospiro. Alla fine del 2014, La navicella spaziale della NASA in orbita attorno alla Terra ha rilevato l'aumento della pressione del vento solare di circa il 50 percento, ed è rimasto elevato da allora.

Due anni dopo, il vento solare fluttuante ha portato a una raffica di particelle neutre nell'elioguaina. Altri due anni dopo, hanno riempito la maggior parte del naso dell'eliosfera prima di raggiungere i poli nord e sud dell'eliosfera.

Questi cambiamenti non erano simmetrici. Ogni protuberanza osservata tracciava le stranezze della forma dell'eliosfera. Gli scienziati sono rimasti sorpresi dalla chiarezza con cui hanno visto l'onda di prua del vento solare che spingeva fuori l'eliopausa.

"Il tempo e le particelle neutre hanno davvero dipinto per noi le distanze a forma di eliosfera, " disse McComas, che è anche vicepresidente di Princeton per il Princeton Plasma Physics Laboratory.

IBEX non ha ancora osservato gli effetti di questo sospiro cosmico dal retro dell'eliosfera, l'eliocoda. Ciò suggerisce che la coda è molto più lontana dal sole rispetto alla parte anteriore:quelle particelle sono in un viaggio molto più lungo. Forse l'ondata di vento solare sta ancora sfrecciando verso la coda, o forse le particelle neutre stanno già tornando. Negli anni a venire, il team IBEX li terrà d'occhio.

"La natura ha creato questo esperimento perfetto per farci comprendere meglio questo confine, "Szalay ha detto. "Dobbiamo vedere cosa succede quando questa grande cosa - la spinta del vento solare - cambia".

La forma dell'eliosfera è stata oggetto di dibattito tra gli scienziati negli ultimi anni. Alcuni hanno sostenuto che la nostra bolla nello spazio è sferica come un globo; altri hanno suggerito che è più vicino a un croissant. Ma in questo studio, McComas ha detto, I dati IBEX mostrano chiaramente che la risposta dell'eliosfera alla spinta del vento solare era asimmetrica, quindi anche l'eliosfera stessa deve essere asimmetrica, a forma di cometa. Il sole è situato vicino alla parte anteriore, e mentre sfreccia nello spazio, l'eliocoda si trascina notevolmente più indietro.

Affrontare il più grande enigma di IBEX

I molti anni di dati di IBEX hanno anche avvicinato gli scienziati a una spiegazione per una delle caratteristiche più sconcertanti dell'eliosfera, noto come nastro IBEX, una delle più grandi scoperte di IBEX. Annunciato nel 2009, si riferisce a un vasto, striscia diagonale di neutri energetici, dipinto sulla parte anteriore dell'eliosfera. È da tempo che gli scienziati rimangono perplessi:perché una parte del confine dovrebbe essere così diversa dal resto?

Col tempo, IBEX ha indicato che ciò che forma il nastro è molto diverso da ciò che forma il resto del cielo interstellare. È modellato dalla direzione del campo magnetico interstellare. Ma come vengono prodotte le particelle di nastro? Ora, gli scienziati riferiscono che è molto probabile che sia responsabile un processo secondario, provocando il raddoppio del viaggio di un certo gruppo di particelle energetiche neutre.

La storia va così:dopo essere diventati neutri energetici, piuttosto che rimbalzare verso l'IBEX, questo gruppo di particelle striscia nella direzione opposta, attraverso l'eliopausa e nello spazio interstellare. Là, hanno un assaggio del Fluff Locale, navigare fino a quando alcuni inevitabilmente si scontrano con particelle cariche di passaggio, perdendo di nuovo un elettrone e legandosi al campo magnetico circostante. Passano altri due anni o giù di lì, e le particelle cariche si scontrano ancora una volta con coetanei più lenti, rubare elettroni come hanno fatto prima. Dopo questa breve migrazione oltre l'eliosfera, i neutri energetici nati due volte alla fine rientrano, precipitando di nuovo verso casa.

I dati estesi di IBEX hanno aiutato gli scienziati a collegare il nastro al lungo tour interstellare delle particelle. Le particelle che formano il nastro hanno viaggiato circa due anni in più rispetto al resto delle particelle neutre osservate. Quando si è trattato del picco del vento solare, il nastro ha impiegato altri due anni dopo il resto dell'eliosfera per iniziare a rispondere.

Ben oltre la sua missione iniziale di due anni, IBEX sarà presto affiancato da un'altra missione della NASA, IMAP—abbreviazione di Interstellar Mapping and Acceleration Probe, per il quale McComas funge anche da investigatore principale. Il lancio della missione è previsto per la fine del 2024.

"IMAP rappresenta un'opportunità perfetta per studiare, with great resolution and sensitivity, what IBEX has begun to show us, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.