Wo beginnt der interstellare Raum? Das war keine Frage, die sich jemand Jahrtausende lang stellen musste, da die geozentrischen und dann heliozentrischen Modelle des Universums keinen Platz für ein „interstellares“ Etwas hatten. Aber sobald sich unser Wissen über das Universum erweiterteweit jenseits der Planeten und des festen Sternenhimmels hinein, wo unsere Sonne nur einer von Milliarden Sternen war, wurde die Heliopause, wie die Grenze unseres Sonnensystems genannt wird, plötzlich sehr relevant.
Während die Heliopause höchstwahrscheinlich niemand von uns eines Tages physisch besuchen wird, ist sie ein wichtiger Marker für die Astronomie, ähnlich wie die Grenzen einer Stadt auf der Karte eines Landes. Aber genau wie die Grenzen eines LandesStadt, wo diese Linie liegt, ist nicht immer so klar. Und obwohl Städte den Vorteil haben, Flüsse, Täler und andere geografische Merkmale als bequeme Abgrenzung sowie GPS-Koordinaten zu verwenden, wie macht man das in der Leere vonPlatz?
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Was ist Heliopause?
Die Heliopause ist der Punkt, an dem sich der Einfluss unseres Sonnensystems gegen den des interstellaren Mediums am Rand der Heliosphäre ausgleicht, einer Blase, die von den Wolken aus interstellarem Gas erzeugt wird, die das Sonnensystem umgeben. Es ist eine theoretische Grenzewo die Kraft der Sonne istSonnenwind ist nicht stark genug, um den Sternwinden der umgebenden Sterne entgegenzuwirken.
"Die Heliosphäre ist die Blase, die dieser Sonnenwind in das lokale interstellare Medium bläst," sagte Richard Marsden, ein Ulysses-Projektwissenschaftler am technischen Zentrum der Europäischen Weltraumorganisation ESTEC in den Niederlanden, der an der Erforschung der Heliosphäre arbeitet. „Sie definiert das Raumvolumen, in dem der Einfluss unserer Sonne vorherrscht.“
Diese Heliosphäre erstreckt sich weit über die Umlaufbahn von Pluto hinaus, tatsächlich um die dreifache Entfernung, bevor sie mit dem interstellaren Medium in Konflikt gerät. So wie das Magnetfeld der Erde die Erde vor den Verwüstungen des Sonnenwinds schützt,die Heliosphäre schützt das Sonnensystem vor dem interstellaren oder galaktischen Wind.
„Die Wirkung der Heliosphäre auf die kosmische Strahlung ermöglicht menschliche Erkundungsmissionen mit längerer Dauer“, sagte Arik Posner, Heliophysiker am NASA-Hauptquartier in Washington, DC „In gewisser Weise ermöglicht es Menschen, den Mars zu erreichen. Die Herausforderung für uns besteht darin, die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Heliosphäre und ihren Grenzen besser zu verstehen.“
Marsden stimmt zu. „Ohne die Heliosphäre“, sagte er, „hätte sich das Leben sicherlich anders entwickelt – und vielleicht überhaupt nicht.“
Wenn wir uns dem Rand der Heliosphäre nähern, treffen die Sonnenwinde und das Magnetfeld der Sonne auf die ausgleichenden Kräfte des interstellaren Windes. Bei diesem Prozess spielen einige Schlüsselelemente eine Rolle. Erstens der Einfluss des interstellaren Mediumswird sichtbar, sobald wir den Terminationsschock erreichen. Dies ist der Anfang vom Ende der Heliosphäre, wo der Sonnenwind auf Unterschallgeschwindigkeit abbremst und sich aufgrund des ausgleichenden Drucks von interstellaren Winden aufheizt.
Die hochgeladenen Teilchen des Sonnenwinds werden zusammengepresst und bilden das, was wir die Helioseath nennen; eine Region, in der die Sonnenwinde und die interstellaren Winde interagieren, aber der Einfluss der Sonnenwinde immer noch stärker ist als der der interstellaren Winde.
Der Unterschied im Einfluss zwischen den beiden schrumpft allmählich, je weiter Sie sich von der Sonne entfernen, und die Heliopause ist der Punkt, an dem der interstellare Wind beginnt, den Sonnenwind zu überwältigen.
Dies ergibt jedoch keine besonders klare Grenze. Während die Sonne aus unserer Perspektive statisch aussieht, können Sie nicht vergessen, dass sie auch in Bewegung ist und mit einer Geschwindigkeit von etwa 240 Kilometern pro Sekunde um den galaktischen Kern kreistDabei bahnt es sich mehr oder weniger einen Weg durch das umgebende interstellare Gas, so wie ein Schiff durch den Ozean segelt.
Da das interstellare Medium selbst nicht statisch ist, gibt es Druckunterschiede, die die Umrisse der Heliopause verzerren können, so wie die Wellen des Ozeans gegen das verdrängte Wasser vor einem schnell fahrenden Schiff zurückstoßen können.
In ähnlicher Weise ist die Heliopause durch eine Umlenkung der Sonnenwinde gekennzeichnet, die zunächst von der Sonne mehr oder weniger nach außen durch das interstellare Medium drängen. In der Heliopause können sich diese Sonnenwinde jedoch nicht mehr vorwärts bewegen, da die interstellaren Winde stärker sind. Dies zwingt die Sonnenwinde, sich wieder zur Sonne zu drehen, aber um sie herum, was einige ziemlich interessante astrophysikalische Phänomene hervorruft.
Warum ist die Heliopause so geformt?
Wenn wir die Heliopause als Grenze beschreiben würden, wäre die nächste Analogie ein Windsack, der sich ständig ausdehnt und mit dem vorherrschenden Wind ausfließt, und er ist aus physikalischen Gründen aus ziemlich demselben Grund so geformt. Ein weitererEin nahes Analogon ist ein Komet, der auf die Sonne zufliegt, wobei seine sublimierenden Gase die Koma um den Kometenkern bilden.
Im Fall der Heliopause ist ihre Form ein Produkt der Wechselwirkung des Sonnenwinds und des Gegendrucks von interstellarem Gas und Magnetfeldern, die von außerhalb der Heliosphäre stammen. Wenn diese Kräfte stärker sind als der nach außen gerichtete Druck des Sonnenwinds, dann biegt sich die Heliopause nach hinten, genau wie ein Windsack es tut, wenn er hier auf der Erde auf einen Windstoß trifft, oder wie die Gase eines Kometen um den zentralen Kern strömen und hinter ihm herziehen.
"Die Form der Heliosphäre ist nicht symmetrisch um die Sonne", laut Europäische Weltraumorganisation. „Die Bewegung [der Sonne] durch das [lokale interstellare Medium] komprimiert [die Heliosphäre] vorne und zieht sie zu einem Schweif hinten heraus, sehr ähnlich einer planetaren Magnetosphäre.“
Neben der Kraft des interstellaren Windes auf die Heliosphäre hilft ein weiterer wichtiger Faktor, die Form der Heliopause zu definieren, nämlich der Sonnenwind.
„Der Abstand der Heliopause von der Sonne ändert sich, wenn die Heliosphäre auf der Zeitskala des Sonnenzyklus ein- und ausatmet“, erklärt Marsden.
Dies ist teilweise auf die Polarität des Magnetfeldes der Sonne zurückzuführen, die während des Sonnenzyklus umkehrt, was dem Sonnenwind eine Art dreidimensionale Sinuswellenform verleiht, was wiederum die Form der Heliosphäre und der Heliopause formt, wenn er gegen sie drücktder interstellare Wind.
Wie weit ist die Heliopause entfernt?
Da die Form der Heliopause nicht statisch ist, hängt ihre Entfernung weitgehend davon ab, in welche Richtung Sie relativ zur Bewegung der Sonne durch die Galaxie schauen. Wenn Sie „geradeaus“ schauen, während die Sonne durch die Galaxie schiebtdas interstellare Medium, es ist geschätzt, dass die Heliopause bei etwa 123 astronomischen Einheiten AE beginnt wobei eine AE die Entfernung zwischen Erde und Sonne ist, ungefähr 93 Millionen Meilen oder 150 Millionen Kilometer.
Dadurch liegt die Vorderkante der Heliopause weit hinter der Umlaufbahn von Pluto der eine mittlere Entfernung von der Sonne von etwa 35 AE hat und sogar weiter als Eris, der am weitesten entfernte Zwergplanet, der jemals entdeckt wurde, mit einem Aphel von etwa 97,5AU.
Diese Entfernung ist jedoch ständig im Fluss, und Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, das Ausmaß, die Form und die Entfernungen zu verschiedenen Punkten entlang der Heliopause zu kartieren, was viel leichter gesagt als getan ist. Wie weit sich die Heliopause in andere Richtungen erstreckt, istnicht gerade eine leicht zu beantwortende Frage.
Bisher haben nur zwei Instrumente die Heliopause passiert, Reisende 1 und Voyager 2—in den Jahren 2012 bzw. 2018—und sind derzeit die einzigen von Menschenhand geschaffenen Objekte, die den interstellaren Raum erreichen. Ihre Daten waren von grundlegender Bedeutung, um die Existenz der Heliopause überhaupt erst nachweisen zu könnenmit nur zwei Instrumenten nicht möglich.
„Der Versuch, die gesamte Heliosphäre von zwei Punkten, Voyager 1 und 2, zu bestimmen, ist wie der Versuch, das Wetter im gesamten Pazifischen Ozean mithilfe von zwei Wetterstationen zu bestimmen“, sagte Eric Christian, ein leitender Heliosphärenforscher bei Goddard Space der NASAFlugzentrum in Greenbelt, Maryland. Glücklicherweise müssen wir uns nicht allein auf die Daten der Voyager-Missionen verlassen.
Wir haben beträchtliche Fortschritte bei der Kartierung der Heliopause gemacht dank NASAs Interstellar Boundary Explorer IBEX-Mission gestartet im Jahr 2008, das Teilchen sammelt, die als energetische neutrale Atome ENAs bekannt sind. Dies sind hochenergetische Teilchen, die durch die komplexe Wechselwirkung des Sonnenwinds und des interstellaren Winds entlang der Heliopause entstehen. Da diese ENAs aus dem Sonnenwind stammenselbst misst IBEX den ausgehenden Sonnenwind und zeichnet die einfallenden ENAs auf, um eine Art Sonnenimpuls zu erzeugen, der die Entfernung zur Heliopause in verschiedenen Richtungen aufzeichnet.
„Jedes Mal, wenn du eine dieser ENAs sammelst, weißt du, aus welcher Richtung sie kam.“ sagte David McComas, der IBEX-Hauptforscher am Southwest Research Institute SwRI in San Antonio, Texas. „Indem Sie viele dieser einzelnen Atome sammeln, können Sie dieses Inside-Out-Bild unserer Heliosphäre erstellen.“
„So wie Fledermäuse Sonarimpulse in alle Richtungen aussenden und das Rücksignal verwenden, um eine mentale Karte ihrer Umgebung zu erstellen,“ Dan Reisenfeld, ein Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory und der Hauptautor eines Artikels, der in veröffentlicht wurde Astrophysikalische Zeitschrift im Jahr 2021 das präsentierte die erste detaillierte 3D-Karte der Heliopause, erklärte: „Wir nutzten den Sonnenwind der Sonne, der in alle Richtungen ausstrahlt, um eine Karte der Heliosphäre zu erstellen.“
IPEX war auch maßgeblich an der Untersuchung des viel kurzlebigeren Helioschweifs beteiligt. Analog zum Kielwasser, das ein Schiff hinterlässt, das durch das Wasser rast, erstreckt sich der Helioschweif viel weiter „hinter“ der Heliosphäre, möglicherweise über mehr als 350 AE, aber es ist fast unmöglich, eine genaue Messung zu erhalten. Dank IBEX können wir jedoch beiDie wenigsten wissen, wie der Heliotail aussieht: ein vierblättriges Kleeblatt.
"Viele Modelle haben vorgeschlagen, dass der Helioschweif so oder so aussehen könnte, aber wir haben keine Beobachtungen gemacht“, sagte McComas, der Hauptautor des Papiers von 2013, in dem er die Entdeckung der Form des Helioschweifs ankündigte. „Wir haben immer Bilder gezeichnet, woder Schweif des Sonnensystems hat sich einfach von der Seite gelöst, da wir nicht einmal darüber spekulieren konnten, wie es wirklich aussah."
Wo der Helioschweif endet, kann man nur erahnen; wo endet schließlich das Kielwasser eines Schnellboots wirklich und wo beginnen die Wellen des Ozeans? An einem nicht zu unterscheidenden Punkt hinter uns verschmelzen der Helioschweif und die schwindende Heliopause um ihn herum einfach mit der Umgebunginterstellares Gas um uns herum.
Wie haben Astronomen es entdeckt?
Die Heliopause war das natürliche Ergebnis der Entdeckung der Heliosphäre zu Beginn des Weltraumzeitalters in den 1950er Jahren. Nachdem Satellitendaten Beweise für die Heliosphäre geliefert hatten, zeigten physikalische Modelle der Wechselwirkung zwischen Heliosphäre und interstellarem Medium schnell, dass dies der Fall sein mussteirgendwo da draußen sein.
Frühe Sonden in den Weltraum begannen, Beweise für die Heliopause zu liefern, am deutlichsten bei den Missionen Pioneer 10 und Pioneer 11. Start im Jahr 1972, die Pioneer-Sonden maßen weiterhin die Aktivität des Sonnenwinds seit Jahrzehnten bis zu einer Entfernung von etwa 67 AE, mit die letzte kohärente Sendung zurück zur Erde von Pioneer 10 im Januar 2003.
Bis dahin hatten wir jedoch noch stärkere Beweise für die Heliopause von von den Sonden Voyager 1 und Voyager 2 zurückgesendete Daten im Jahr 1993. Die beiden Sonden befanden sich in einer einzigartigen Position im Weltraum, um starke, niederfrequente Radiowellen zu entdecken, die durch die heftige Wechselwirkung zwischen intensiven Sonnenwinden, die im Mai und Juni 1992 erzeugt wurden, und dem interstellaren Medium erzeugt wurden, was den ersten direkten Beweis lieferteeiner definierbaren Grenze zum interstellaren Raum.
"Diese Radioemissionen sind wahrscheinlich die stärkste Radioquelle in unserem Sonnensystem," Dr. Don Gurnett, der Hauptforscher des Voyager-Plasmawellen-Subsystems, das die Radioemissionen entdeckte, sagte 1993 nach Bekanntgabe der Entdeckung. „Wir haben die von den Signalen abgestrahlte Gesamtleistung auf mehr als 10 Billionen Watt geschätzt. Diese Funksignale haben jedoch so niedrige Frequenzen, nur 2 bis 3 Kilohertz, dass sie von der Erde aus nicht erfasst werden können."
„Wir haben gesehen, wie die Frequenz dieser Radioemissionen im Laufe der Zeit zugenommen hat“, fügte Gurnett hinzu. „Unsere Annahme, dass dies die Heliopause ist, basiert auf der Tatsache, dass es keine andere bekannte Struktur gibt, die diese Signale verursachen könnte."
Doch erst 2012 bekamen wir die solidesten Beweise für die Heliopause, als Voyager 1 einen plötzlichen Abfall der Sonnenwindpartikel und einen entsprechenden Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlungspartikel entdeckte, was darauf hinweist, dass sie die Grenze überschritten hattein den interstellaren Raum. Obwohl es für sich genommen ziemlich schlüssig ist, endgültige Bestätigung kam 2018 als Voyager 2, die sich auf einer ganz anderen Flugbahn als Voyager 1 befindet, den gleichen plötzlichen Rückgang der Sonnenwindpartikel und die Spitze der galaktischen Strahlenpartikel entdeckte, was zeigt, dass das Phänomen nicht lokal für Voyager 1 war.
Hier seien Weltraumdrachen: Was existiert jenseits der Heliopause?
Während es offensichtlich ist, dass das, was hinter der Heliopause liegt, der interstellare Raum ist, gibt es noch mehr Rätsel – und Kontroversen – um die Heliopause und was dahinter liegt.
Seit Jahrzehnten wird die Theorie aufgestellt, dass ein „Bow Shock“ direkt hinter der Heliopause existiert, wo die schwächeren Sonnenwindpartikel und das Magnetfeld der Heliosphäre das interstellare Medium davor stören – aber nicht überwältigen. Die Idee von asanfter "Bow Wave" hat in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen da einige argumentieren, dass sich das Sonnensystem nicht schnell genug durch das interstellare Medium bewegt, um einen „Schock“ zu erzeugen.
Dann ist da noch die Sache mit dem IBEX Ribbon, einem Band intensiver ENAs entlang der Heliosphäre, das deutlich "heller" ist als die umgebenden ENAs. Bisher konnte niemand erklären, was das IBEX Ribbon verursacht oder welche Auswirkungen es hates könnte für unsere Modelle der Heliopause gelten.
„Unsere Sonne ist ein Stern wie Milliarden anderer Sterne im Universum“, sagte Justyna Sokol, eine Forscherin am SwRI. „Einige dieser Sterne haben auch Astrosphären, wie die Heliosphäre, aber das ist die einzige Astrosphäre, die wir sindtatsächlich im Inneren und können genau studieren. Wir müssen von unserer Nachbarschaft ausgehen, um so viel mehr über den Rest des Universums zu erfahren."