BU-Astrophysikerin Merav Opher wird ein neues NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center leiten, das ein Vorhersagemodell der Heliosphäre entwickeln soll. Foto von Cydney Scott

Raumfahrtwissenschaften

BU-Astrophysikerin Merav Opher wird ein von der NASA finanziertes Zentrum leiten, das die Form und Größe der Heliosphäre verstehen soll

Um die Heliosphäre zu verstehen, eine kosmische Kraft, von der Astrophysiker glauben, dass sie uns vor der starken Strahlung schützt, die vom Universum ausgeht, stelle man sich eine riesige Blase vor, die die Sonne umgibt. Die Blase ist so groß, dass sie weit über unser Sonnensystem hinausreicht und zusammen mit der Sonne durch den Weltraum saust. Niemand kennt wirklich die Form der Heliosphäre, und schon gar nicht ihre Größe.

Astrophysiker wissen, dass innerhalb der Heliosphäre ein ständiger Sturm von erhitzten und geladenen Teilchen herrscht, die von der Sonne ausgehen. Sie wissen auch, dass der Weltraum außerhalb der Heliosphäre von tödlicher kosmischer Strahlung durchdrungen ist. Und sie glauben, dass die Haut der Heliosphäre wie ein Schild wirkt, der die meisten dieser Strahlen abblockt und alles innerhalb der Blase schützt, vor allem das Leben auf der Erde.

„Wir versuchen alle, diese Blase zu verstehen“, sagt der Astrophysiker Merav Opher, ein außerordentlicher Professor für Astronomie am Boston University College of Arts & Sciences.

Dank einer kürzlich erfolgten Investition der NASA in Höhe von 12 Millionen Dollar in neun neue Heliosphären-Forschungszentren an Universitäten in den Vereinigten Staaten – eine der größten zentrumsbasierten Initiativen der Weltraumbehörde, die auf eine große Herausforderung abzielt – hoffen Astrophysiker im ganzen Land, darunter auch Opher, eine scheinbar sehr steile Lernkurve zu erklimmen. An der BU, die im Zentrum für Weltraumphysik der Universität untergebracht ist, wird Opher der Hauptforscher und Leiter eines neuen NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center sein, das 1,3 Millionen Dollar erhalten hat. Dieses Team, das sich aus Experten zusammensetzt, die Opher von 11 anderen Universitäten und Forschungsinstituten rekrutiert hat, wird ein Vorhersagemodell der Heliosphäre entwickeln, und zwar unter dem Namen SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion exchange and Large scale Dynamics).

Ophers SHIELD-Team hat die Aufgabe, Antworten auf vier sehr wichtige Fragen zu finden: Wie ist die Gesamtstruktur der Heliosphäre? Wie entwickeln sich die ionisierten Teilchen und wie beeinflussen sie die Prozesse in der Heliosphäre? Wie interagiert die Heliosphäre mit dem interstellaren Medium, der Materie und Strahlung zwischen den Sternen, und wie beeinflusst sie dieses? Und wie wird die kosmische Strahlung von der Heliosphäre gefiltert oder durch sie transportiert?

Ein zweites Projekt im Rahmen des von der BU geleiteten NASA DRIVE Science Center wird ein Outreach-Programm entwickeln, das sich an Schüler und Studenten von der Grundschule bis zum Lehrkörper richtet, mit dem Ziel, unterrepräsentierte Bevölkerungsgruppen in der Weltraumplasmaforschung auszubilden, anzuwerben und zu halten.

Geleitet werden diese Bemühungen von Joyce Wong, einer Professorin für Biomedizintechnik am BU College of Engineering und Leiterin des BU-Programms ARROWS (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM). Wong wird neue Wege zur Diversifizierung des Weltraumplasmabereichs und zur Stärkung des Gemeinschaftsgefühls unter den unterrepräsentierten Gruppen erforschen und die Mentoring-Bemühungen ausweiten, die die Diversität unter den Bewerbern für Fakultätsstellen verbessern könnten.

Für Opher ist dieser Aspekt des neuen NASA-DRIVE-Zentrums ebenso wichtig wie die Entwicklung eines globalen Vorhersagemodells für die Heliosphäre. Als eine der wenigen Frauen im Bereich der Weltraumphysik und als Mitglied der LGBTQIA+ Task Force der BU setzt sich Opher seit langem für die Erhöhung der Zahl von Frauen und unterrepräsentierten Gruppen in der MINT-Forschung ein.

Erforschung grundlegender Unbekannter

Heute, so Opher, sind so grundlegende Vorstellungen wie die Form der Heliosphäre immer noch Gegenstand von Debatten. Einige Modelle legen nahe, dass sie einem Kometen mit einem langen Schweif ähnelt. Ophers Forschungen zeigen dagegen ein Heliosphärenmodell, das eher die Form eines Hörnchens hat.

Das meiste, was wir über die Heliosphäre wissen, so Opher, stammt aus vier großen NASA-Projekten: Voyager 1, Voyager 2, die Raumsonde New Horizon und die ENA-Karten (Energetic Neutral Atom), die von den Missionen Interstellar Boundary Explorer und Cassini erstellt wurden. Opher weist darauf hin, dass zwei dieser Quellen, die Sonden Voyager 1 und Voyager 2, bereits 1977 mit einer in den 1960er Jahren entwickelten Technologie an Bord gestartet wurden. Keine dieser Raumsonden war für die Erforschung der Heliosphäre konzipiert.

Voyager 1 sollte Saturn, den größten Saturnmond, und Jupiter untersuchen, während Voyager 2 auf Uranus und Neptun abzielte – alles Ziele, die weit innerhalb der Grenzen der Heliosphäre und unseres Sonnensystems liegen. Erstaunlicherweise haben beide Sonden ihre Reise über ihre Ziele hinaus fortgesetzt, und was noch wichtiger ist, über die Grenzen der Heliosphäre hinaus, von wo aus sie weiterhin Daten zur Erde senden.

Andere Raumsonden, insbesondere IBEX und Cassini, liefern ebenfalls Daten über die Heliosphäre, aber Opher sagt, dass Modelle dieser Daten bisher nicht in der Lage waren, die Größe oder Dicke der Heliosphäre vorherzusagen. Sie sagt, dass die Daten, die die Rolle von Turbulenzen, Rekonnexion, Wellen-Teilchen-Wechselwirkungen und Leitfähigkeit in den äußeren Schichten des Sonnensystems beschreiben, noch nicht in die Modelle integriert wurden. Das wird die Aufgabe ihres Teams sein, das hofft, ein Vorhersagemodell zu erstellen, das den Forschern helfen kann, die Beobachtungen einer IMAP-Sonde (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) zu verstehen, deren Start für 2024 geplant ist.

„Die Modelle, die wir jetzt haben, können die Antworten nicht vorhersagen“, sagt Opher. „

Zu den von Opher zusammengestellten Experten gehört John Richardson, leitender Forscher am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT, der das SHIELD-Programm leiten wird. Weitere Mitarbeiter kommen vom MIT, der University of Michigan, dem Johns Hopkins University Applied Physics Lab, der NASA Goddard, dem California Institute of Technology, dem Southwest Research Institute, der University of Arizona, der University of Alabama at Huntsville, der Harvard University und der Princeton University.

Die 1,3 Millionen Dollar für die erste Phase der NASA-Initiative sollen das DRIVE Science Center von Opher über zwei Jahre hinweg unterstützen. Die zweite Phase, wenn sie bewilligt wird, wird weitere fünf Jahre Forschung mit etwa 5 Millionen Dollar pro Jahr unterstützen.

„Die Idee ist, dass die nächste Phase Dinge wie die Auswirkungen der Heliosphäre auf die Evolution des Lebens untersuchen wird“, sagt Opher. „Wir wissen zum Beispiel, dass die Strahlungsmenge die Wolkenbedeckung beeinflusst, und die Wolkenbedeckung ist für das Leben wichtig. Wenn wir mehr über die Strahlung auf dem Mars wüssten, könnten wir sagen, ob Leben jemals möglich war.“

Für Astrophysiker ist die intellektuelle Herausforderung, die Geheimnisse der Heliosphäre zu enträtseln, unwiderstehlich, und der Einfluss der Heliosphäre auf das Leben auf der Erde – und möglicherweise auf anderen Planeten in anderen Sonnensystemen – ist der verlockendste Schwerpunkt ihrer Suche.

„Merav ist weltweit führend bei der Erforschung der Heliosphäre“, sagt der Astrophysiker Avi Loeb, Lehrstuhlinhaber für Astronomie an der Harvard University. „Es gibt niemanden auf der Welt, der die zugrundeliegende Physik besser versteht als sie.“

Opher und Loeb haben gemeinsam an einer neuen Studie über die Größe unserer Heliosphäre gearbeitet, und die Ergebnisse werden bald in Nature Astronomy veröffentlicht. Loeb sagt, dass die Kenntnis der Größe der Heliosphäre es uns beispielsweise ermöglichen wird, die Stärke des stellaren Windes zu messen, der sie erzeugt.

„Wenn dieser Sternwind sehr stark ist, würde er die Atmosphäre von erdgroßen Planeten, die in der bewohnbaren Zone des Sterns liegen, abtragen“, sagt er. „Dies ist besonders wichtig für massearme Sterne, wie unseren nächsten Nachbarn Proxima Centauri, der einen Planeten in seiner bewohnbaren Zone beherbergt. Der Stern ist Hunderte Male schwächer als und dieser Planet ist 20 Mal näher an dem Stern als die Erde entfernt ist. Infolgedessen ist er einem stärkeren Wind ausgesetzt. Wenn wir wissen, wie stark dieser Wind ist, können wir herausfinden, ob seine Atmosphäre wahrscheinlich abgestreift wurde.“

Daten, die von den bestehenden NASA-Raumsonden erhalten wurden, stützen die Überzeugung, dass die Haut der Heliosphäre die Erde vor der kosmischen Strahlung abschirmt, die durch den tiefen Weltraum schwirrt. Der Anteil der kosmischen Strahlung, der den Schutzschild durchdringt, ist – wie alles an der Heliosphäre – umstritten, aber man geht davon aus, dass er bei etwa 25 % liegt, genug, um die Wissenschaftler davon zu überzeugen, dass der Schutzschild für das Leben auf der Erde und anderswo unerlässlich ist. Denn wie unser eigenes Sonnensystem hat jedes Sternensystem seine eigene schützende Blase.

„Je mehr wir über die Prozesse in unserer Heliosphäre verstehen“, sagt Opher, „desto mehr wissen wir über die Prozesse in allen Astrosphären und über die Bedingungen, die notwendig sind, um bewohnbare Planeten zu schaffen.“

Erforschen Sie verwandte Themen:

• Astronomie
• Datenwissenschaften
• Vielfalt
• Erde &Umwelt
• NASA
• Forschung
• System