Tajemnicza Ciepła Bryza potwierdza deformację heliosfery

Ciepła Bryza różni się własnościami od strumieni atomów helu i wodoru międzygwiazdowego wnikających w heliosferę (m.in. jest cieplejsza, stąd nazwa) - informuje Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie (CBK PAN).

Ośrodek międzygwiazdowy, przez który porusza się Układ Słoneczny w swoim ruchu w Galaktyce, jest wypełniony rzadką i częściowo zjonizowaną materią o temperaturze około 7500 K. Prędkość ruchu Słońca wynosi 25,8 km/s. Nasza gwiazda wytwarza wokół Układu Słonecznego obszar zwany heliosferą, który stanowi swego rodzaju warstwę ochronną przed działaniem galaktycznego promieniowania kosmicznego. Heliosfera, która rozciąga się na sto razy dalszą odległość od Słońca niż orbita Ziemi, jest wytwarzana przez wiatr słoneczny – mieszaninę protonów, elektronów i zjonizowanych jąder atomów.

W 2008 roku amerykańska agencja kosmiczna NASA wystrzeliła satelitę Interstellar Boundary Explorer (IBEX), który pomaga naukowcom w obserwacji strumieni atomów wnikających do heliosfery. Grupa naukowców z Zespołu Fizyki Układu Słonecznego i Astrofizyki CBK PAN w Warszawie prowadzi badania nad heliosferą i materią międzygwiazdową w ramach Zespołu Naukowego misji IBEX. Polska grupa ma skład: dr hab. Maciej Bzowski, mgr Marzena A. Kubiak, mgr Justyna M. Sokół i mgr Paweł Swaczyna. W pracach badawczych uczestniczą także naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, Szwajcarii, Niemiec i Rosji. Polskie badania są możliwe dzięki grantom z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowego Centrum Nauki.

Istnienie heliosfery ma wpływ na to, w jaki sposób materia międzygwiazdowa może wnikać do wnętrza Układu Słonecznego. Materia naładowana elektrycznie nie przedostaje się do heliosfery, ponieważ oddziałuje z polem magnetycznym i w efekcie opływa heliosferę. Z kolei atomy, które nie są zjonizowane, mogą swobodnie wnikać do wnętrza heliosfery. Gdy to uczynią, na ich dalszy ruch wpływają grawitacja oraz ciśnienie promieniowania.

Część takich atomów dociera w pobliże Ziemi. Wodór stanowi największy procent materii międzygwiazdowej, ale w okolice Ziemi dociera go bardzo mało, bowiem po drodze ulega jonizacji. Najwięcej obserwuje się atomów helu, pojawiają się też atomy tlenu, neonu i deuteru.

W 2014 roku okazało się, że istnieje jeszcze dodatkowy strumień atomów, który jest znacząco rzadszy niż hel międzygwiazdowy, cieplejszy i wolniejszy, a na dodatek napływa z nieco innego kierunku – trochę z boku. Nazwano go Ciepłą Bryzą.

Obserwacje gazu międzygwiazdowego są uzależnione od kierunku jego przepływu. Można ich dokonywać jedynie, gdy sonda IBEX wraz z Ziemią poruszają się pod prąd tego przepływu, a to oznacza obserwacje helu międzygwiazdowego w okresie pierwszego kwartału każdego roku, a Ciepłej Bryzy w miesiącach od grudnia do marca.

Sygnały od obu składników częściowo pokrywają się. Aby móc je precyzyjnie oddzielić, określić temperaturę i kierunek, badacze musieli przeanalizować dane zbierane przez sześć lat. Wyniki dla materii międzygwiazdowej opublikowano kilka miesięcy temu (w tym przypadku polscy naukowcy również wnieśli zasadniczy wkład), a teraz zespół naukowcy ukończył analizy własności Ciepłej Bryzy.

Ciepła Bryza powstaje najprawdopodobniej na granicy heliosfery, a jej odchylenie wskazuje płaszczyznę symetrii heliosfery zdeformowanej przez międzygwiazdowe pole magnetyczne. Modele heliosfery przewidują, że w trakcie ruchu przez ośrodek międzygwiazdowy rozpycha ona na boki międzygwiazdową plazmę, a w obrębie powstałej w ten sposób fali powinna powstawać dodatkowa populacja atomów neutralnych (tzw. populacja wtórna). Część z nich przedostaje się do wnętrza heliosfery i obserwujemy je właśnie jako Ciepłą Bryzę. Ale z powodu tego, że pole magnetyczne w ośrodku międzygwiazdowym jest nachylone pod pewnym kątem w stosunku do kierunku ruchu Słońca, heliosfera ulega deformacji i kierunek napływu Ciepłej Bryzy potwierdza to.

Paweł Swaczyna, doktorant z zespołu CBK PAN, wyjaśnia, iż po zestawieniu wyników dla Ciepłej Bryzy z kierunkami napływu na heliosferę międzygwiazdowego helu i wodoru okazało się, że Ciepła Bryza jest tzw. wtórną populacją gazu międzygwiazdowego, która powstaje w podgrzanej plazmie opływającej heliosferę. Są więc w sumie trzy kierunki, które z bardzo dobrą dokładnością układają się wzdłuż jednej płaszczyzny, czyli tak, jak przewiduje teoria opisująca heliosferę zdeformowaną przez międzygwiazdowe pole magnetyczne. „Trudno uwierzyć, aby to był przypadek” - podkreśla Swaczyna.

„Zrozumienie natury Ciepłej Bryzy otwiera zupełnie nowe perspektywy badania heliosfery i jej otoczenia. Po raz pierwszy mamy okazję obserwacyjnego zbadania opływu heliosfery przez materię międzygwiazdową. Dzięki temu będziemy mogli określić deformację heliosfery przez pole magnetyczne i zbadać stan fizyczny materii w zewnętrznym otoku heliosfery. Dotychczas mogliśmy to studiować wyłącznie w symulacjach opartych o teoretyczne modele” - tłumaczy dr hab. Maciej Bzowski, kierownik zespołu CBK PAN.

Mgr Justyna Sokół dodaje, że jest to świetny punkt wyjścia do unikatowych badań nad materią międzygwiazdową i że teraz naukowcy mogą szukać dowodów na to, że materia międzygwiazdowa przy heliosferze ma różne temperatury w różnych kierunkach, czyli rozkład temperatury jest anizotropowy.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Suplement Series”.

Badacze mają nadzieję, że nowy instrument na planowanym satelicie Interstellar Mapping and Acceleration Probe umożliwi jeszcze dokładniejsze analizy.

PAP - Nauka w Polsce

cza/ mrt/