Astrofyzik Merav Opher z Bostonu povede nové vědecké centrum NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) zaměřené na vývoj předpovědního modelu heliosféry. Foto: Cydney Scottová

Vesmírné vědy

Astrofyzik Merav Opher z BU povede centrum financované NASA, jehož cílem bude pochopit tvar a velikost heliosféry

Pro pochopení heliosféry, kosmické síly, která nás podle astrofyziků chrání před silným zářením vycházejícím z vesmíru, si představte obrovskou bublinu obklopující Slunce. Tato bublina je tak velká, že sahá daleko za naši sluneční soustavu a spolu se Sluncem se přibližuje vesmírem. Tvar heliosféry, respektive její velikost, nikdo pořádně nezná.

Astrofyzikové však vědí, že uvnitř heliosféry probíhá neustálá bouře rozžhavených a nabitých částic, které vycházejí ze Slunce. Vědí také, že mimo heliosféru je hluboký vesmír prošpikován smrtícím kosmickým zářením. A domnívají se, že slupka heliosféry funguje jako štít, který blokuje většinu těchto paprsků a chrání vše uvnitř bubliny, především život na Zemi.

„Všichni se snažíme této bublině porozumět,“ říká astrofyzik Merav Opher, docent astronomie na Boston University College of Arts &.

Nyní díky nedávné investici NASA ve výši 12 milionů dolarů do devíti nových heliosférických výzkumných center na univerzitách po celých Spojených státech – jedné z největších iniciativ vesmírné agentury založených na centrech zaměřených na velkou výzvu – astrofyzikové z celé země, včetně Ophera, doufají, že se jim podaří zdolat, jak se zdá, velmi strmou křivku učení. Na BU, která sídlí v univerzitním Centru pro vesmírnou fyziku, bude Opher hlavním řešitelem a vedoucím nového vědeckého centra NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate), které získalo 1,3 milionu dolarů. Tento tým složený z odborníků, které Opher získal z 11 dalších univerzit a výzkumných ústavů, bude vyvíjet předpovědní model heliosféry v rámci projektu, který tým nazval SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion exchange and Large scale Dynamics).

Opherův tým SHIELD má za úkol najít odpovědi na čtyři velmi důležité otázky: Jaká je celková struktura heliosféry? Jak se vyvíjejí její ionizované částice a jak ovlivňují heliosférické procesy? Jak heliosféra interaguje a ovlivňuje mezihvězdné prostředí, hmotu a záření, které existuje mezi hvězdami? A jak se kosmické záření filtruje nebo přenáší heliosférou?

Druhý projekt zahrnutý do vědeckého centra NASA DRIVE pod vedením BU vytvoří osvětový program – zaměřený na studenty od K-12 až po fakulty – s cílem vyškolit, získat a udržet nedostatečně zastoupené skupiny obyvatel ve vědě o vesmírné plazmě.

Toto úsilí bude řídit Joyce Wongová, profesorka biomedicínského inženýrství a ředitelka programu ARROWS (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM) na BU College of Engineering. Wongová bude zkoumat nové způsoby, jak diverzifikovat obor vesmírné plazmy a posílit jeho smysl pro komunitu mezi nedostatečně zastoupenými skupinami a rozšířit mentorské úsilí, které by mohlo zlepšit rozmanitost mezi uchazeči o místa na fakultě.

Pro Ophera je tento aspekt nového centra NASA DRIVE stejně důležitý jako vývoj prediktivního globálního modelu heliosféry. Jako jedna z mála žen v oboru vesmírné fyziky a členka pracovní skupiny BU LGBTQIA+ je Opherová dlouhodobě silnou zastánkyní zvyšování počtu žen a nedostatečně zastoupených skupin ve STEM.

Zkoumání základních neznámých

Dnes, říká Opherová, zůstávají tak zásadní pojmy, jako je tvar heliosféry, předmětem debat. Některé modely naznačují, že se podobá kometě s dlouhým ohonem. Opherův výzkum naproti tomu odhaluje model heliosféry ve tvaru připomínajícím spíše rohlík.

Většina toho, co o heliosféře víme, pochází podle ní ze čtyř hlavních projektů NASA: Voyager 1, Voyager 2, sonda New Horizon a mapy energetických neutrálních atomů (ENA) vytvořené sondami Interstellar Boundary Explorer a Cassini. Opher upozorňuje, že dva z těchto zdrojů, sondy Voyager 1 a Voyager 2, byly vypuštěny již v roce 1977 a měly na palubě technologie navržené v 60. letech 20. století. Ani jedna z těchto sond nebyla určena ke studiu heliosféry.

Sonda Voyager 1 byla určena k pozorování Saturnu, největšího Saturnova měsíce, a Jupiteru, zatímco sonda Voyager 2 byla zaměřena na Uran a Neptun – všechny cíle se nacházely v hranicích heliosféry a naší sluneční soustavy. Přesto je překvapivé, že obě sondy pokračovaly i za hranice svých cílů, a co je důležitější, i za hranice heliosféry, odkud nadále posílají data na Zemi.

Další sondy, zejména IBEX a Cassini, rovněž přispívají heliosférickými daty, ale podle Ophera modely těchto dat dosud nedokázaly předpovědět velikost ani tloušťku heliosféry. Říká, že data, která popisují roli, kterou hrají turbulence, rekonexe, interakce mezi vlnami a částicemi a vedení ve vnějších vrstvách sluneční soustavy, musí být do modelů teprve začleněna. To bude práce jejího týmu, který doufá, že vytvoří předpovědní model, který pomůže vědcům pochopit pozorování sondy IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), jejíž start je naplánován na rok 2024.

„Modely, které máme nyní k dispozici, nemohou předpovědět odpovědi,“ říká Opherová. „Proto vytvoříme lepší modely a k tomu jsme přizvali odborníky z mnoha oblastí.“

Mezi odborníky, které Opher shromáždil, patří John Richardson, hlavní vědecký pracovník Kavliho institutu pro astrofyziku a kosmický výzkum na MIT, který bude programovým manažerem SHIELDu. Další spolupracovníci pocházejí z MIT, University of Michigan, Johns Hopkins University Applied Physics Lab, NASA Goddard, California Institute of Technology, Southwest Research Institute, University of Arizona, University of Alabama at Huntsville, Harvard University a Princeton University.

Financování první fáze iniciativy NASA ve výši 1,3 milionu dolarů je určeno na dvouletý výzkum Opherova vědeckého centra DRIVE. Druhá fáze, pokud bude udělena, podpoří dalších pět let výzkumu s roční dotací přibližně 5 milionů dolarů.

„Představa je taková, že v další fázi se budou studovat věci jako vliv heliosféry na vývoj života,“ říká Opher. „Víme například, že množství záření ovlivňuje pokrytí mraky, a pokrytí mraky je pro život nezbytné. Kdybychom věděli více o radiaci na Marsu, mohli bychom říci, zda byl život vůbec možný .“

Pro astrofyziky je intelektuální výzva odhalit tajemství heliosféry neodolatelná a vliv heliosféry na život na Zemi – a možná i na jiných planetách v jiných slunečních soustavách – je nejlákavějším cílem jejich pátrání.

„Merav je světovou špičkou ve studiu heliosféry,“ říká astrofyzik Avi Loeb, vedoucí katedry astronomie na Harvardově univerzitě. „Na světě neexistuje člověk, který by rozuměl základní fyzice lépe než ona.“

Opher a Loeb společně pracují na nové studii o velikosti naší heliosféry a její výsledky budou brzy publikovány v časopise Nature Astronomy. Podle Loeba nám znalost velikosti heliosféry umožní například změřit sílu hvězdného větru, který ji vytváří.

„Pokud je tento hvězdný vítr velmi silný, zbavil by atmosféry planety velikosti Země, které leží v obyvatelné zóně hvězdy,“ říká. „To je důležité zejména u hvězd s nízkou hmotností… jako je náš nejbližší soused Proxima Centauri, která hostí planetu v obyvatelné zóně. Hvězda je stokrát slabší než a tato planeta je 20krát blíže hvězdě, než je vzdálenost Země od . V důsledku toho je vystavena silnějšímu větru. Znalost toho, jak silný je tento vítr, nám umožní zjistit, zda byla její atmosféra pravděpodobně svlečena.“

Data získaná z existujících dálkových sond NASA podporují přesvědčení, že slupka heliosféry chrání Zemi před kosmickým zářením, které cinká hlubokým vesmírem. O podílu kosmického záření, které projde štítem, stejně jako o všem, co se týká heliosféry, se vedou diskuse, ale předpokládá se, že se pohybuje kolem 25 procent, což vědcům stačí k přesvědčení, že štít je nezbytný pro život na Zemi i jinde. Protože stejně jako naše sluneční soustava má i každá hvězdná soustava svou vlastní ochrannou bublinu.

„Čím více rozumíme procesům v naší heliosféře,“ říká Opher, „tím více víme o procesech ve všech astrosférách a o podmínkách nezbytných pro vznik obyvatelných planet.“

Prozkoumejte související témata:

• Astronomie
• Datové vědy
• Rozmanitost
• Země &Životní prostředí
• NASA
• Výzkum
• STEM

.