Neue Erkenntnisse zur Form der Heliosphäre

Schematische Darstellung des Sonnensystems mit der Heliosphäre und den Positionen der Raumsonden Voyager 1 und 2. (Credits: NASA / JPL-Caltech)
Schematische Darstellung des Sonnensystems mit der Heliosphäre und den Positionen der Raumsonden Voyager 1 und 2. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Die Heliosphäre ist eine blasenähnliche Struktur um die Sonne, erzeugt vom Sonnenwind. Sie dehnt sich bis weit jenseits von Pluto aus, bis der Druck des interstellaren Mediums sie letztendlich begrenzt. Jahrzehnte lang vermuteten Astronomen, dass die Heliosphäre eine grob kometenförmige Gestalt hat – sphärisch mit einem langen Schweif, der von einer Kombination aus Sonnenwind, interstellarem Medium und der Bewegung der Sonne durch die Galaxie geformt wird.

Die Missionen Voyager 1 und 2, beide gestartet im Jahr 1977, haben seitdem die Heliosphäre durchquert und ihre Grenze (die Heliopause) zum interstellaren Medium hinter sich gelassen. Voyager 1 tat dies im Jahr 2012 und Voyager 2 im Jahr 2018. Auf ihrem Weg maßen die Sonden viele Eigenschaften der Heliosphäre und zwangen Astronomen zu der Schlussfolgerung, dass das solare Magnetfeld eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Heliosphäre spielt und dass ihre Form nicht kometenähnlich ist.

Die Cassini-Mission, gestartet im Jahr 1997 zur Erforschung Saturns, fand ebenfalls Belege dafür, dass die Heliosphäre keinen Schweif besitzt. Die Frage war jetzt, welche Form die Heliosphäre tatsächlich hat und wie sie bestimmt wird.

Die CfA-Astronomen Merav Opher und Avi Loeb und zwei ihrer Kollegen gingen diese Probleme mit einem detaillierten Modell der Heliosphäre an. Es ist einzigartig, weil es als eine separate Komponente die aufgenommenen Ionen des Sonnenwindes berücksichtigt. Diese Ionen sind ursprünglich neutrale Atome im Sonnenwind und werden ionisiert, wenn sie durch ultraviolette Strahlung oder durch Kollisionen angeregt werden und dann auf magnetische Effekte reagieren können.

Die Pluto-Mission New Horizons machte kürzlich ihren ersten Nachweis von aufgenommenen Ionen im Sonnenwind. Sie maß die Ionen in bis zu 30 Astronomischen Einheiten Distanz zur Sonne (eine Astronomische Einheit ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Sonne und Erde). Plutos durchschnittliche Entfernung zur Sonne liegt bei etwa 40 Astronomischen Einheiten. Die Voyager-Missionen stellten fest, dass der Druck dieser Ionen nahe dem Rand der Heliopause (Heliosheath) den Druck dominierte.

Die Astronomen führten mehrere Berechnungsreihen der Heliosphäre durch, um die relativ unsicheren Parameter der Magnetfeldstärke und -richtung zu berücksichtigen, und bezogen auch die Produktion und Ablagerung von aufgenommenen Ionen mit ein. Sie stellten fest, dass die Ionen neutral werden und abkühlen, wenn sie auf neutralen Wasserstoff treffen, was die Heliosheath kleiner und runder macht. Das stimmt mit den Cassini-Beobachtungen überein.

Das neue Modell rekonstruiert das Verhalten der aufgenommenen Ionen und der Sonnenwind-Ionen und passt zu den Beobachtungen der Raumsonden. Das Modell schließt jedoch nicht die Effekte der Sonnenzyklusvariationen ein, aber zukünftige Verbesserungen des Modells werden das tun. Zusammen mit neuen Messungen sollten sie in der Lage sein, unser Wissen über die Heliosphäre zu erweitern.

Abhandlung: ““A Small and Round Heliosphere Suggested by Magnetohydrodynamic Modelling of Pick-up Ions” von Merav Opher, Abraham Loeb, James Drake und Gabor Toth, Nature Astronomy 4, 675, 2020.

Quelle

(THK)

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