חושפים את הצורה של מערכת השמש שלנו

מקור: NASA

מדענים פיתחו תחזית חדשה לצורת הבועה המקיפה את מערכת השמש שלנו, באמצעות מודל שפותח בעזרת נתונים ממשימות נאס"א.

כל כוכבי הלכת של מערכת השמש שלנו עטופים בבועה מגנטית, שנוצרת בחלל על ידי חומר הנפלט באופן בלתי פוסק מהשמש, הרוח הסולארית. מחוץ לבועה זו נמצא התווך הבין-כוכבי - הגז המיונן והשדה המגנטי הממלא את החלל שבין מערכות הכוכבים בגלקסיה שלנו. שאלה אחת שמדענים מנסים לפתור במשך שנים היא מה צורת הבועה הזו, הנעה בחלל יחד עם השמש שלנו שמקיפה את מרכז הגלקסיה שלנו. באופן מסורתי, מדענים חשבו על הליוספירה בצורת שביט, עם חזית מעוגלת, המכונה האף, וזנב ארוך שנגרר מאחור.

מודל עדכני מציג את הצורה של בועת ההשפעה של השמש, ההליוספירה (בצהוב), העשויה להיות בצורת קרואסון פחוס.

מחקרים שפורסמו ב-Nature Astronomy במרץ והופיעו על השער בחודש יולי מציגים צורה אלטרנטיבית שחסרה את הזנב הארוך הזה: הקרואסון הפחוס (deflated croissant).

את צורת ההליוספירה קשה למדוד מבפנים. הקצה הקרוב ביותר של ההליוספירה נמצא יותר מ-16 מיליארד ק"מ מכדור הארץ. רק שתי חלליות הוויאג'ר (Voyager) מדדו באופן ישיר את האזור הזה וסיפקו לנו רק שתי נקודות עם נתוני אמת מבוססים על צורת ההליוספירה.

מקרבת כדור הארץ אנו חוקרים את הגבול לחלל הבין-כוכבי על ידי לכידה והתבוננות בחלקיקים הנעים לכיוון כדור הארץ. זה כולל חלקיקים טעונים המגיעים מחלקים מרוחקים של הגלקסיה, המכונים קרניים קוסמיות גלקטיות, יחד עם החלקיקים שכבר במערכת השמש שלנו, שנעים החוצה לכיוון ההליוספירה ומוחזרים חזרה לכדור הארץ דרך סדרה מורכבת של תהליכים אלקטרומגנטיים. אלה נקראים אטומים נייטרליים אנרגטיים (energetic neutral atoms), ומכיוון שהם נוצרים על ידי אינטראקציה עם התווך הבין-כוכבי, הם משמשים כשליח יעיל למיפוי קצה ההליוספירה. כך מכון המחקר הבינ-כוכבי (Interstellar Boundary Explorer) של נאס"א, החוקר את ההליוספירה, עושה שימוש בחלקיקים אלה כסוג של מכ"ם, תוך התחקות אחר הגבול בין מערכת השמש שלנו לחלל הבין-כוכבי.

מחקרים מסוימים מראים כי להוליוספירה יש זנב ארוך, בדומה לשביט

כדי להבין את הנתונים המורכבים האלה, מדענים משתמשים במודלים ממוחשבים כדי להפוך נתונים אלה לחיזוי של מאפייני ההליוספירה. מירב עופר (Merav Opher), החוקרת המובילה את המחקר החדש, עומדת בראש המרכז המדעי DRIVE באוניברסיטת בוסטון (DRIVE Science Center at Boston University), הממומן ע"י נאס"א וה-NSF, וממוקד באתגר.

הגרסה האחרונה הזו של המודל של עופר עושה שימוש בנתונים ממשימות מדע פלנטאריות של נאס"א כדי לאפיין את התנהגות החומר הממלא את החלל בבועת ההליוספירה ולקבל פרספקטיבה נוספת על גבולותיה. משימת קאסיני (Cassini) של נאס"א נשאה מכשיר שנועד לחקור חלקיקים שנלכדו בשדה המגנטי של שבתאי, שביצע גם תצפיות על חלקיקים שהוחזרו חזרה לעבר מערכת השמש הפנימית. מדידות אלה דומות לאלה של IBEX, אך מספקות פרספקטיבה ברורה על גבול ההליוספירה.

בנוסף, משימת ניו הורייזונס (New Horizons) של נאס"א סיפקה מדידות של יוני איסוף (Pickup ions), חלקיקים המיוננים בחלל ונאספים ונעים יחד עם הרוח הסולארית. בגלל מקורם המובהק מחלקיקי הרוח הסולארית הנפלטים מהשמש, יוני האיסוף הם הרבה יותר חמים מחלקיקי הרוח הסולארית האחרים - ועל עובדה זו מבוססת עבודתה של עופר.

"יש שני נוזלים מעורבבים זה בזה. יש רכיב אחד שהוא קר מאוד ורכיב אחד שהוא הרבה יותר חם, יוני האיסוף", אמרה עופר, פרופסור לאסטרונומיה באוניברסיטת בוסטון. "אם יש לך נוזל קר ונוזל חם ואתה שם אותם בחלל, הם לא יתערבבו - הם יתפתחו בעיקר בנפרד. מה שעשינו היה להפריד בין שני המרכיבים הללו של הרוח הסולארית ולמדל את צורת ההליוספירה התלת-ממדית המתקבלת."

החישוב של רכיבי הרוח הסולארית בנפרד, בשילוב של עבודתה הקודמת של עופר בה עשתה שימוש בשדה המגנטי הסולארי ככוח הדומיננטי בעיצוב ההליוספירה, יצר את צורת הקרואסון הפחוס (deflated croissant), עם שני סילונים מתפתלים החוצה מהחלק המרכזי הנפוח של ההליוספירה, והיעדרו הבולט של אותו זנב ארוך שחזו מדענים רבים.

"מכיוון שיוני האיסוף שולטים בתרמודינמיקה, הכל מאוד כדורי. אבל מכיוון שהם עוזבים את המערכת מהר מאוד מעבר לגל ההלם (termination shock), כל ההליוספירה הולכת והופכת פחוסה", אמרה עופר.

צורת המגן שלנו

צורת ההליוספירה היא יותר משאלה של סקרנות אקדמית: ההליוספירה פועלת כמגן מערכת השמש שלנו מול שאר הגלקסיה.

אירועים אנרגטיים במערכות כוכבים אחרות, כמו סופרנובה, יכולים להאיץ חלקיקים כמעט למהירות האור. חלקיקים אלה משוגרים לכל הכיוונים, כולל למערכת השמש שלנו. ההליוספירה פועלת כמגן: היא סופגת כשלושה רבעים מהחלקיקים האנרגטיים העצמתיים האלה, המכונים קרניים קוסמיות גלקטיות, שאחרת היו חודרים אל מערכת השמש שלנו.

החלקיקים שכן עוברים עלולים לגרום לחורבן. על פני כדור הארץ אנו מוגנים על ידי השדה המגנטי והאטמוספירה של כדור הארץ, אך טכנולוגיה ואסטרונאוטים בחלל או על עולמות אחרים חשופים. תאים אלקטרונים וגם תאים אנושיים עלולים להיפגע כתוצאה מההשפעה של קרניים קוסמיות גלקטיות - ומכיוון שקרניים קוסמיות גלקטיות נושאות כל כך הרבה אנרגיה, קשה לחסום אותן בצורה מעשית עבור נסיעות בחלל. ההליוספירה היא ההגנה העיקרית של עובדי החלל מפני קרניים קוסמיות גלקטיות, כך שהבנת צורתה וכיצד היא משפיעה על רמת הקרניים הקוסמיות הגלקטיות המגיעות למערכת השמש שלנו היא שיקול מרכזי בתכנון חקר החלל, רובוטי ואנושי.

ההליוספירה שלנו חוסמת קרניים קוסמיות רבות, המוצגות כפסים בהירים בתמונה, מלהגיע לכוכבי הלכת של מערכת השמש

צורת ההליוספירה היא גם חלק מהפאזל בחיפוש אחר חיים בעולמות אחרים. הקרינה המזיקה בקרניים קוסמיות גלקטיות עלולה להפוך עולם לבלתי ראוי לחיים, גורל שנמנע במערכת השמש שלנו בגלל המגן החללי החזק שלנו. ככל שנלמד יותר כיצד ההליוספירה שלנו מגנה על מערכת השמש - והאם וכיצד ההגנה הזו השתנתה לאורך ההיסטוריה של מערכת השמש - כך נוכל לחפש מערכות כוכבים אחרות שעשויות להיות מוגנות באופן דומה. וחלק מזה הוא הצורה: האם צורת ההליוספירה שלנו היא בצורת שביט ארוך זנב, קרואסון פחוס או צורה אחרת לגמרי?

כל שתהיה הצורה האמיתית של ההליוספרה, משימת נאס"א הקרובה תקדם אותנו לפיתרון השאלות הללו: גשושית Interstellar Mapping and Acceleration, או IMAP.

הגשושית IMAP, המיועדת לשיגור בשנת 2024, תמפה את החלקיקים הזורמים חזרה לכדור הארץ מגבולות ההליוספירה. IMAP תתבסס על הטכניקות והתגליות של משימת IBEX כדי לשפוך אור חדש על טבעה של ההליוספירה, התווך הבין-כוכבי וכיצד קרניים קוסמיות גלקטיות עושות את דרכן למערכת השמש שלנו.

מרכז המדע DRIVE של עופר שואף ליצור מודל הניתן לאימות, עד לזמן שיגורה של IMAP. החיזויים שלהם לגבי הצורה והמאפיינים האחרים של ההליוספירה - וכיצד זה ישתקף בחלקיקים הזורמים חזרה מגבולות ההליוספירה - יספקו למדענים את הבסיס להשוואה לנתונים של IMAP.