Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Bây giờ, lần đầu tiên các nhà khoa học đã sử dụng toàn bộ chu kỳ dữ liệu mặt trời từ tàu vũ trụ IBEX của NASA để nghiên cứu cách thức của vũ trụ thay đổi theo thời gian. Các chu kỳ mặt trời kéo dài khoảng 11 năm khi Mặt trời dao động từ các mùa hoạt động cao xuống thấp và trở lại cao. Các kết quả cho thấy vòng xoắn ngoài thay đổi rất chi tiết và gợi ý về các quá trình đằng sau một trong những tính năng khó hiểu nhất của nó.
Vượt xa quỹ đạo của các hành tinh nằm ở những đường viền mờ của bong bóng từ tính trong không gian mà chúng ta gọi là nhà.
Đây là vòng xoắn ốc, bong bóng rộng lớn được tạo ra bởi từ trường của Mặt trời và bao bọc tất cả các hành tinh. Các đường viền của bong bóng vũ trụ này không cố định. Đáp lại những tiếng thở hổn hển và tiếng thở dài của Mặt trời, chúng co lại và kéo dài theo năm tháng.
Bây giờ, lần đầu tiên các nhà khoa học đã sử dụng toàn bộ chu kỳ dữ liệu mặt trời từ tàu vũ trụ IBEX của NASA để nghiên cứu cách thức của vũ trụ thay đổi theo thời gian. Các chu kỳ mặt trời kéo dài khoảng 11 năm, khi Mặt trời dao động từ các mùa hoạt động cao xuống thấp và trở lại cao. Với hồ sơ dài của IBEX, các nhà khoa học đã háo hức kiểm tra xem sự thay đổi tâm trạng của Mặt trời diễn ra như thế nào ở rìa của vòng xoắn ốc. Các kết quả cho thấy sự thay đổi của vòng xoắn ốc bên ngoài rất chi tiết, khéo léo phác họa hình dạng của vòng xoắn ốc (một vấn đề tranh luận trong những năm gần đây) và gợi ý về các quá trình đằng sau một trong những đặc điểm khó hiểu nhất của nó. Những phát hiện này cùng với một bộ dữ liệu mới được tinh chỉnh, được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn (The Astrophysical Journal Supplements) vào ngày 10 tháng 6 năm 2020.
IBEX, viết tắt của Interstellar Boundary Explorer, đã quan sát ranh giới với không gian giữa các vì sao trong hơn 11 năm, cho chúng ta thấy nơi lân cận vũ trụ của chúng ta phù hợp với phần còn lại của thiên hà.
“Đây là nhiệm vụ rất nhỏ”, David McComas, nhà điều tra chính cho nhiệm vụ tại Đại học Princeton ở New Jersey, nói. IBEX chỉ lớn như một chiếc lốp xe buýt. “Nó đã rất thành công, kéo dài lâu hơn bất kỳ ai dự đoán. Bây giờ chúng tôi may mắn có được cả một chu kỳ quan sát mặt trời.”
Lập bản đồ cạnh của hệ mặt trời, mỗi lần một hạt
Vòng xoắn ốc chứa đầy gió mặt trời, dòng chảy liên tục của các hạt tích điện từ Mặt trời. Gió mặt trời vội vã ra theo mọi hướng, một triệu dặm mỗi giờ, cho đến khi nó Butts so với môi trường giữa, gió từ các ngôi sao khác mà lấp đầy khoảng trống giữa chúng.
Khi Mặt trời len lỏi qua môi trường giữa các vì sao, nó tạo ra một làn sóng nóng, dày đặc giống như sóng ở phía trước của một chiếc thuyền chảy qua biển. Vùng lân cận vũ trụ của chúng ta được gọi là Local Fluff, cho đám mây khí siêu nóng nở ra xung quanh chúng ta. Trường hợp gió mặt trời và cục bộ cục bộ gặp nhau tạo thành rìa của nhật quyển, được gọi là nhật tâm. Ngay bên trong đó là một khu vực hỗn loạn được gọi là heliosheath.
Các hạt được gọi là các nguyên tử trung tính tràn đầy năng lượng, hay ENA, được hình thành ở vùng không gian xa xôi này là trọng tâm của các cuộc khảo sát của IBEX. Chúng được tạo ra khi các hạt nóng, tích điện như các hạt trong gió mặt trời va chạm với các hạt trung tính lạnh giống như các hạt chảy vào từ không gian giữa các vì sao. Các hạt gió mặt trời Zippy có thể cướp các electron từ các nguyên tử liên sao, biến thành trung tính.
Hành trình của những hạt này bắt đầu từ lâu trước khi IBEX phát hiện ra chúng. Vượt qua các hành tinh, qua vành đai tiểu hành tinh và Vành đai Kuiper, đến rìa của vũ trụ, phải mất khoảng một năm để một cơn gió mặt trời chạy đua 100 lần khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất. Trên đường đi, gió mặt trời nhặt các nguyên tử ion hóa của các khí liên sao đã luồn lách vào trong vòng xoắn ốc. Gió mặt trời đến rìa không giống như gió rời Mặt trời một năm trước.
Các hạt gió mặt trời có thể mất thêm sáu tháng để khuấy động sự hỗn loạn của vòng xoắn ốc, hố ngăn cách giữa hai ranh giới bên ngoài của vòng xoắn ốc. Không thể tránh khỏi, một số va chạm với các khí liên sao và trở thành trung tính năng lượng. Phải mất các hạt trung tính gần một năm nữa cho chuyến trở về, đi qua không gian từ rìa của vòng xoắn ốc để đến IBEX – nếu các hạt tình cờ đi đúng hướng. Trong số tất cả các hạt trung tính được hình thành, chỉ một số ít thực sự đưa nó vào IBEX. Toàn bộ chuyến đi mất từ hai đến ba năm đối với các hạt năng lượng cao nhất trong phạm vi quan sát của IBEX, và thậm chí lâu hơn ở các vùng năng lượng thấp hơn hoặc các vùng xa hơn.
IBEX lợi dụng thực tế là các nguyên tử trung tính như thế này không bị chuyển hướng bởi từ trường của Mặt trời: Các hạt trung tính tươi bị ràng buộc khỏi va chạm theo một đường thẳng.
IBEX khảo sát bầu trời các hạt, lưu ý hướng và năng lượng của chúng. Tàu vũ trụ chỉ phát hiện khoảng một giây. Kết quả là một bản đồ về ranh giới giữa các vì sao, được chế tạo từ cùng một nguyên tắc mà một con dơi sử dụng để tạo tiếng vang trong đêm: theo dõi tín hiệu đến để tìm hiểu thêm về môi trường xung quanh. Bằng cách nghiên cứu nơi các trung tính đến từ đâu và khi nào, IBEX có thể theo dõi các ranh giới từ xa của vũ trụ của chúng ta.
“Chúng tôi rất may mắn khi quan sát điều này từ bên trong vòng xoắn ốc”, Justyna Sokol, một nhà khoa học đến thăm của nhóm Princeton, nói. “Đây là những quá trình xảy ra ở khoảng cách rất nhỏ. Khi bạn quan sát các ngôi sao khác ở rất xa, bạn quan sát khoảng cách của năm ánh sáng, từ bên ngoài các thiên thể của chúng.” Ngay cả khoảng cách giữa Mặt trời và mũi của vũ trụ cũng nhỏ bé so với nhiều, rất nhiều năm ánh sáng.
Sử dụng dữ liệu hơn 11 năm của IBEX, McComas và nhóm của ông có thể nghiên cứu các thay đổi phát triển theo thời gian và là chìa khóa để hiểu vị trí của chúng ta trong không gian.
Gió mặt trời không đổi nhưng gió không ổn định. Khi gió thổi, khí quyển thổi phồng lên như một quả bóng và các hạt trung tính dâng lên ở rìa ngoài. Khi gió làm dịu, bóng co lại; các hạt trung tính giảm dần. Các trò chơi bập bênh tiếp theo của các hạt trung tính, các nhà khoa học báo cáo, liên tục lặp lại hai đến ba năm sau những thay đổi của gió – phản ánh hành trình của họ đến rìa của khinh khí cầu này và trở lại.
Jamey Szalay, một nhà nghiên cứu khác của Princeton cho biết: “Phải mất rất nhiều năm để các hiệu ứng này đạt đến rìa của vòng xoắn ốc”. “Đối với chúng tôi để có nhiều dữ liệu này từ IBEX, cuối cùng cho phép chúng tôi thực hiện các mối tương quan dài hạn này.”
Định hình vòng xoắn
Từ năm 2009 đến 2014, gió thổi khá thấp và đều, gió nhẹ. Các heliosphere ký hợp đồng. Sau đó, một cơn gió bất ngờ xuất hiện trong gió mặt trời, như thể Mặt trời thở dài. Vào cuối năm 2014, tàu vũ trụ của NASA quay quanh Trái đất đã phát hiện sự gia tăng áp lực gió mặt trời khoảng 50% (nó vẫn duy trì ở mức cao trong vài năm).
Hai năm sau, gió mặt trời cuồn cuộn dẫn đến một loạt các hạt trung tính trong vỏ bọc. Hai năm sau, họ lấp đầy hầu hết mũi của vòng xoắn ốc. Cuối cùng, chúng mọc trên các cực bắc và nam của heliosphere.
Những thay đổi này không đối xứng. Mỗi vết sưng quan sát được theo dõi các quirks của hình dạng của vòng xoắn ốc. Các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi họ thấy rõ làn sóng thủy triều của gió mặt trời đẩy ra ngoài căn bệnh vô căn.
Thời gian và các hạt trung tính đã thực sự vẽ ra khoảng cách trong hình dạng của vòng xoắn ốc cho chúng ta.
IBEX vẫn chưa quan sát thấy tác động của cú đấm vũ trụ này từ phía sau của vòng xoắn ốc. Điều đó có nghĩa là phần đuôi ở xa Mặt trời hơn nhiều so với phía trước; những hạt đó là trên một hành trình dài hơn nhiều. Có lẽ sự gia tăng gió mặt trời vẫn đang bay về phía đuôi, hoặc có thể các hạt trung tính đã trên đường trở về. Trong những năm tới, nhóm IBEX sẽ theo dõi các dấu hiệu cho thấy sự trở lại của họ từ đuôi.
“Thiên nhiên đã thiết lập thí nghiệm hoàn hảo này để chúng tôi hiểu rõ hơn về ranh giới này”, Szalay nói. “Chúng ta phải xem điều gì sẽ xảy ra khi một điều lớn lao này – sức gió mặt trời – thay đổi.”
Nhìn chung, bức tranh này vẽ một bức tranh về vòng xoắn ốc có hình dạng giống như sao chổi. Hình dạng của vòng xoắn ốc là một vấn đề tranh luận trong những năm gần đây. Một số người cho rằng bong bóng của chúng ta trong không gian có hình cầu như một quả địa cầu; những người khác cho rằng nó gần với bánh sừng bò hơn. Nhưng trong nghiên cứu này, McComas cho biết dữ liệu IBEX cho thấy rõ ràng phản ứng của vòng xoắn ốc đối với việc đẩy gió mặt trời là không đối xứng – do đó, bản thân vòng xoắn cũng phải không đối xứng. Mặt trời nằm sát phía trước và khi Mặt trời chiếu vào không gian, đường xoắn ốc ở phía sau xa hơn, giống như đuôi của một sao chổi.
Giải quyết câu đố lớn nhất của IBEX
Dữ liệu nhiều năm của IBEX cũng đã đưa các nhà khoa học đến gần hơn với lời giải thích cho một trong những đặc điểm khó hiểu hơn của vòng xoắn ốc, được gọi là dải băng IBEX. Dải băng vẫn là một trong những khám phá lớn nhất của IBEX. Được công bố vào năm 2009, nó đề cập đến một dải rộng lớn của các hạt trung tính tràn đầy năng lượng, được vẽ trên mặt trước của vòng xoắn ốc. Các nhà khoa học bối rối từ lâu: Tại sao bất kỳ phần nào của ranh giới nên khác biệt với phần còn lại?
Theo thời gian, IBEX đã chỉ ra rằng những gì hình thành dải băng rất khác so với những gì hình thành phần còn lại của bầu trời giữa các vì sao. Nó được định hình bởi hướng của từ trường giữa các vì sao. Nhưng các hạt ruy băng được sản xuất như thế nào? Bây giờ, các nhà khoa học báo cáo rằng rất có thể một quá trình thứ cấp chịu trách nhiệm, khiến hành trình của một nhóm các hạt trung tính năng lượng nhất định tăng gấp đôi.
Sau khi trở thành những người trung lập tràn đầy năng lượng, thay vì quay trở lại IBEX, nhóm các hạt này sẽ đi theo hướng ngược lại, xuyên qua vòng xoắn ốc và vào không gian giữa các vì sao. Ở đó, chúng sẽ được nếm thử Fluff địa phương, bay cho đến khi một số người chắc chắn sẽ va chạm với các hạt tích điện, mất một lần nữa điện tử và bị buộc vào từ trường xung quanh.
Hai năm nữa trôi qua và các hạt tích điện có thể va chạm một lần nữa với các đồng nghiệp chậm hơn, đánh cắp các điện tử như chúng đã làm trước đây. Sau cuộc di cư ngắn ngủi này ngoài vòng xoắn ốc, những người trung lập năng lượng được sinh ra hai lần cuối cùng có thể nhập lại, quay trở về nhà.
Dữ liệu IBEX mở rộng đã giúp các nhà khoa học kết nối dải băng với chuyến tham quan giữa các vì sao dài của các hạt. Các hạt hình thành dải băng đã đi được khoảng hai năm so với phần còn lại của các hạt trung tính được quan sát. Khi nói đến cơn gió mặt trời, dải băng mất thêm hai năm sau khi phần còn lại của vòng xoắn ốc thậm chí bắt đầu phản ứng.
Vượt xa nhiệm vụ ban đầu trong hai năm, IBEX sẽ sớm được tham gia bởi một nhiệm vụ khác của NASA, IMAP – viết tắt của Bản đồ thăm dò và tăng tốc giữa các vì sao, mà McComas cũng đóng vai trò điều tra viên chính. Nhiệm vụ dự kiến sẽ ra mắt vào cuối năm 2024.
“IMAP thể hiện một cơ hội hoàn hảo để nghiên cứu, với độ phân giải và độ nhạy cao, những gì IBEX đã bắt đầu cho chúng ta thấy, để chúng ta thực sự hiểu biết chi tiết về vật lý ngoài kia”, McComas nói.
Video: https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=ZY8D71NW1wM&feature=emb_logo
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi NASA / Goddard Space Flight Center . Bản gốc được viết bởi Lina Tran. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :