¿Qué sucede cuando el viento solar de repente comienza a soplar con mucha más fuerza? Según dos estudios recientes, los límites de todo nuestro sistema solar se expanden hacia afuera, y un análisis de las partículas que rebotan en sus bordes revelará su nueva forma.

A finales de 2014, La nave espacial de la NASA detectó un cambio sustancial en el viento solar. Por primera vez en casi una década, la presión del viento solar, una medida combinada de su velocidad y densidad, había aumentado aproximadamente en un 50 por ciento y permaneció así durante varios años a partir de entonces. Dos años después, el Explorador de límites interestelares, o IBEX, La nave espacial detectó la primera señal de las secuelas. Las partículas de viento solar del aumento de presión de 2014 habían alcanzado el borde de la heliosfera, neutralizados a sí mismos, y disparado todo el camino de regreso a la Tierra. Y tenían una historia que contar.

En dos artículos recientes, Los científicos utilizaron datos IBEX junto con modelos numéricos sofisticados para comprender lo que estos átomos en rebote pueden decirnos sobre la forma y estructura en evolución de nuestra heliosfera. la burbuja gigante tallada por el viento solar.

"Los resultados muestran que el aumento de la presión del viento solar de 2014 ya se ha propagado desde el Sol a la heliosfera exterior, transformando y expandiendo los límites de nuestra heliosfera en su dirección más cercana, "dijo David McComas, el investigador principal de la misión IBEX en la Universidad de Princeton en Princeton, New Jersey. "Los datos del IBEX que fluyen durante los próximos años nos permitirán trazar la expansión y la estructura evolutiva de las otras partes de los límites exteriores de la heliosfera".

Desde el Sol hasta el borde del sistema solar, y viceversa. En el meollo de la historia están los átomos neutrales energéticos, partículas de alta energía producidas en el borde mismo de nuestro sistema solar.

A medida que el viento solar fluye desde el Sol a velocidades supersónicas, hace explotar una burbuja conocida como heliosfera. La heliosfera encierra todos los planetas de nuestro sistema solar y gran parte del espacio más allá de ellos. separando el dominio de nuestro Sol del del espacio interestelar.

Pero el viaje del viento solar desde el Sol no es fácil. En su camino hacia el borde mismo de nuestra heliosfera, conocida como la heliopausa, el viento solar atraviesa distintas capas. El primero de ellos se conoce como choque de terminación.

Antes de pasar el choque de terminación, el viento solar se expande rápidamente, en gran parte sin obstáculos por material externo.

"Pero en el shock de terminación, aproximadamente a 9.3 mil millones de millas de nosotros en todas direcciones, el viento solar se ralentiza abruptamente. Más allá de este punto, continúa moviéndose hacia afuera, pero hace mucho mas calor, "dijo Eric Zirnstein, autor principal de uno de los artículos de Princeton.

Una vez más allá del shock de terminación, Las partículas del viento solar entran en una zona especial del limbo conocida como heliovaina. Si bien el choque de terminación es esencialmente esférico, Se cree que los bordes de la heliosfera describen más un arco alrededor del Sol a medida que se mueve por el espacio, más cerca del Sol hacia el frente, y extendiéndose mucho detrás de él, no muy diferente a un cometa con cola. A lo largo de estos límites, Las partículas del viento solar se mezclan con las partículas del espacio interestelar. Las colisiones son inevitables:el calor, partículas de viento solar cargadas eléctricamente golpean el más lento, átomos neutros más fríos del espacio interestelar, robando un electrón y volviéndose neutrales ellos mismos.

"Desde allí, viajan balísticamente por el espacio, y algunos regresan a la Tierra ", Dijo Zirnstein." Estos son los átomos neutrales energéticos que observa IBEX ".

A finales de 2016, cuando el generador de imágenes de átomos neutros enérgicos de IBEX comenzó a captar una señal inusualmente fuerte, El profesor McComas y su equipo se propusieron investigar su causa. Sus hallazgos se informan en un artículo publicado el 20 de marzo, 2018, en el Cartas de revistas astrofísicas .

Los energéticos átomos neutrales procedían de unos 30 grados al sur de la dirección interestelar contra el viento, donde se sabía que la heliovaina estaba más cerca de la Tierra.

Para cuantificar su conexión con el aumento de la presión del viento solar en 2014, McComas y su equipo recurrieron a simulaciones numéricas, averiguar cómo tal aumento de presión podría afectar a los átomos neutrales energéticos que observa IBEX.

"Este tipo de simulaciones implican un modelo para la física, que luego se convierte en ecuaciones, que a su vez se resuelven en una supercomputadora, "dijo Jacob Heerikhuisen, coautor de ambos artículos en la Universidad de Alabama en Huntsville.

Usando modelos de computadora, el equipo simuló una heliosfera completa, lo sacudió con un aumento de presión del viento solar, y déjelo correr los números. La simulación completó una historia solo insinuada por los datos.

Según la simulación, una vez que el viento solar golpea el choque de terminación, crea una onda de presión. Esa onda de presión continúa hasta el borde de la heliosfera y rebota parcialmente hacia atrás, obligando a las partículas a colisionar dentro del entorno de heliovaina (ahora mucho más denso) por el que acaba de pasar. Ahí es donde nacieron los átomos energéticos neutros que observó IBEX.

Las simulaciones proporcionaron un caso convincente:el IBEX de hecho estaba observando los resultados del aumento de la presión del viento solar en 2014, más de dos años después.

Pero la simulación no se detuvo ahí. También reveló que el aumento de la presión del viento solar en 2014, tiempo extraordinario, continuar haciendo estallar la heliosfera aún más. Tres años después del aumento de la presión del viento solar, cuando se publicó el artículo, el impacto de terminación, la burbuja interior dentro de la heliosfera, debería expandirse en siete unidades astronómicas, o siete veces la distancia de la Tierra al Sol. La heliopausa, la burbuja exterior, debería expandirse en dos unidades astronómicas, con dos adicionales el año siguiente.

En breve, aumentando la presión del viento solar, nuestra heliosfera de hoy es más grande de lo que era hace unos años.

La nueva forma de la heliosfera

McComas y sus colegas estudiaron los primeros signos del aumento de la presión del viento solar en 2014. Pero observar los datos en los próximos años puede decirnos aún más, esta vez sobre la forma en evolución de nuestra heliosfera.

"Ha habido muchos estudios, algunos de hace bastante tiempo, predecir cómo debería verse la forma de la heliosfera, "Zirnstein, el autor principal del artículo, informes. "Pero todavía está en debate en la comunidad de modelos. Esperamos que el aumento de la presión del viento solar en 2014 pueda ayudar con eso".

Utilizando los mismos datos y simulaciones que se utilizaron en el artículo anterior, Zirnstein y sus colegas adelantaron el tiempo, modelando la heliosfera ocho años después del aumento de la presión del viento solar en 2014. Los resultados describen no solo el pasado, sino también modelar el futuro. El artículo fue publicado el 30 de mayo de 2018, en The Astrophysical Journal.

"Lo que creemos que deberíamos ver en un futuro cercano es un anillo, expandiéndose por el cielo, marcando el cambio en el flujo energético del átomo neutro a lo largo del tiempo, ", dijo Zirnstein." Este anillo se expande lejos del punto de contacto inicial en la heliosfera exterior, hacia las direcciones del heliotail ".

Aunque la señal inicial detectada por IBEX en 2016 fue un círculo sólido, no se quedará así. A medida que el viento solar de 2014 alcanza puntos de la heliopausa cada vez más alejados, tardan más en recuperarse, como un eco de una pared lejana. La forma redondeada de la heliosfera hace que este eco se refleje en forma de anillo.

Pero el hallazgo clave provino de observar el anillo mientras se expande.

En su simulación, Zirnstein y sus colegas encontraron que la velocidad precisa a la que el anillo se expande depende en parte de las distancias entre las diversas capas de la heliosfera:el choque de terminación, la heliopausa, y la parte de la heliovaina donde se produjeron los neutros energéticos. Zirnstein se dio cuenta de que había encontrado una nueva forma de medir el tamaño y la forma de la heliosfera.

"Podríamos estimar las distancias a los diferentes límites de la heliosfera con solo mirar este anillo que cambia con el tiempo en el cielo, "dijo Zirnstein.

Zirnstein y sus colegas utilizaron su heliosfera simulada para realizar un estudio de prueba. Midiendo la tasa de expansión del anillo (y conectándolo a las ecuaciones correctas), podrían reproducir con precisión las distancias a estructuras clave dentro de su heliosfera simulada. Como sabían cuáles eran esas distancias en su simulación, podían comprobar su trabajo, validando que la técnica obtuviera las respuestas correctas y debería ser precisa cuando se aplica a la heliosfera real.

Las deformidades en el anillo (desviaciones de un círculo perfecto) también podrían revelar asimetrías en la forma general de la heliosfera. "Depende de cuán simétrica o asimétrica sea la heliosfera, ", Agregó Zirnstein." Si la heliosfera tuviera una forma de cometa ideal, 'el anillo debería expandirse simétricamente con el tiempo. Pero en realidad eso probablemente no sucederá, tendremos que esperar y ver qué nos dice el IBEX ".

Zirnstein expresó su entusiasmo por la posibilidad de conocer la verdadera forma de la heliosfera.

"Durante los próximos años, con más datos de IBEX, mi esperanza es que podamos construir una imagen tridimensional de la forma de la heliosfera, "dijo Zirnstein.

Los resultados de estos dos estudios tienen importantes implicaciones prácticas. "Conectar los cambios en el Sol con observaciones energéticas de átomos neutros nos ayudará a comprender los cambios a largo plazo en las condiciones peligrosas para el entorno de radiación espacial, una especie de clima espacial en oposición al clima espacial, ", Dijo McComas." A medida que el viento solar sopla cada vez con menos fuerza, y nuestra burbuja solar se expande y contrae, que afecta directamente la cantidad de rayos cósmicos que pueden entrar en la heliosfera, potencialmente poner en peligro a los astronautas en vuelos espaciales de larga duración ".

Pero los resultados también subrayan el increíble poder de nuestra estrella más cercana. Cambios en el sol incluido el viento solar, tienen consecuencias significativas que se extienden a miles de millones de millas en el espacio donde, hasta la fecha, sólo las dos naves espaciales Voyager se han aventurado alguna vez. Con técnicas como la formación de imágenes de átomos neutros energéticos, no podemos simplemente imaginar, pero mida con precisión estas porciones lejanas de la heliosfera, nuestro hogar en la galaxia.