BU astrofysicus Merav Opher zal een nieuw NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center leiden dat zich richt op de ontwikkeling van een voorspellend model van de heliosfeer. Foto door Cydney Scott

Om de heliosfeer te begrijpen, een kosmische kracht die ons volgens astrofysici beschermt tegen de krachtige straling die van het heelal uitgaat, stel je een enorme bel voor die de zon omgeeft. De bel is zo groot dat hij zich tot ver buiten ons zonnestelsel uitstrekt, en hij zoemt samen met de zon door de ruimte. Niemand weet precies hoe de heliosfeer eruit ziet, of hoe groot hij is.

Astrofysici weten wel dat er binnen de heliosfeer een constante storm van verhitte en geladen deeltjes is die van de zon afkomstig zijn. Ze weten ook dat buiten de heliosfeer de diepe ruimte bezaaid is met dodelijke kosmische straling. En zij geloven dat de huid van de heliosfeer fungeert als een schild, dat de meeste van die stralen blokkeert en alles binnen de bel beschermt, het belangrijkste, het leven op aarde.

“We proberen allemaal deze bel te begrijpen,” zegt astrofysicus Merav Opher, een Boston University College of Arts & Sciences universitair hoofddocent astronomie.

Nu, dankzij een recente investering van 12 miljoen dollar door NASA in negen nieuwe heliosferische onderzoekscentra aan universiteiten in de hele Verenigde Staten – een van de grootste centrumgebaseerde initiatieven van het ruimteagentschap gericht op een grote uitdaging – hopen astrofysici in het hele land, waaronder Opher, te beklimmen wat een zeer steile leercurve lijkt te zijn. Bij de BU, ondergebracht in het Center for Space Physics van de universiteit, wordt Opher de hoofdonderzoeker en leider van een nieuw NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center dat 1,3 miljoen dollar heeft gekregen. Dat team, bestaande uit deskundigen Opher aangeworven van 11 andere universiteiten en onderzoeksinstituten, zal een voorspellend model van de heliosfeer ontwikkelen in een inspanning die het team SHIELD (Zonnewind met Waterstof Ionen Uitwisseling en Grootschalige Dynamica) heeft genoemd.

Opher’s SHIELD-team is belast met het vinden van antwoorden op vier zeer grote vragen: Wat is de algemene structuur van de heliosfeer? Hoe evolueren de geïoniseerde deeltjes en hoe beïnvloeden ze heliosferische processen? Hoe is de wisselwerking tussen de heliosfeer en het interstellaire medium, de materie en de straling tussen de sterren, en hoe wordt die beïnvloed? En hoe worden kosmische stralen gefilterd door, of getransporteerd door, de heliosfeer?

Een tweede project dat deel uitmaakt van het door de BU geleide NASA DRIVE Science Center zal een outreach-programma ontwikkelen – gericht op studenten van K-12 tot en met faculteit – met als doel ondervertegenwoordigde bevolkingsgroepen op te leiden, te werven en te behouden in de ruimteplasmawetenschap.

De leiding van dit programma is in handen van Joyce Wong, hoogleraar biomedische techniek aan het BU College of Engineering en directeur van BU’s ARROWS-programma (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM). Wong zal nieuwe manieren onderzoeken om het ruimteplasmaveld te diversifiëren en het gemeenschapsgevoel onder ondervertegenwoordigde groepen te versterken, en mentorinspanningen uitbreiden die de diversiteit onder de kandidaten voor faculteitsfuncties kunnen verbeteren.

Voor Opher is dit aspect van het nieuwe NASA DRIVE-centrum net zo belangrijk als de ontwikkeling van een voorspellend wereldwijd model van de heliosfeer. Als een van de weinige vrouwen op het gebied van ruimtefysica en lid van BU’s LGBTQIA+ taskforce, is Opher al lange tijd een krachtig pleitbezorger voor het vergroten van het aantal vrouwen en ondervertegenwoordigde groepen in bèta/techniek.

Verkenning van fundamentele onbekenden

Tot op de dag van vandaag, zegt Opher, blijven concepten zo fundamenteel als de vorm van de heliosfeer het onderwerp van discussie. Sommige modellen suggereren dat hij lijkt op een komeet met een lange staart. Opher’s onderzoek, daarentegen, onthult een heliosferisch model dat meer op een croissant lijkt.

Het meeste van wat we weten over de heliosfeer, zegt ze, is afkomstig van vier belangrijke NASA-projecten: Voyager 1, Voyager 2, het New Horizon ruimtevaartuig, en de energetisch neutraal atoom (ENA) kaarten gegenereerd door de Interstellar Boundary Explorer en Cassini missies. Opher wijst erop dat twee van deze bronnen, de Voyager 1- en Voyager 2-sondes, al in 1977 zijn gelanceerd met technologie aan boord die in de jaren zestig is ontworpen. Geen van deze ruimtesondes was ontworpen om de heliosfeer te bestuderen.

Voyager 1 was bedoeld om Saturnus, Saturnus’ grootste maan, en Jupiter te bestuderen, terwijl Voyager 2 gericht was op Uranus en Neptunus – allemaal bestemmingen ruim binnen de grenzen van de heliosfeer en ons zonnestelsel. Toch zijn beide sondes verbazingwekkend genoeg verder gegaan dan hun doelen, en wat nog belangrijker is, verder dan de huid van de heliosfeer, van waaruit zij gegevens naar de aarde blijven terugzenden.

Andere ruimtevaartuigen, met name de IBEX en Cassini, leveren ook heliosferische gegevens, maar Opher zegt dat modellen van die gegevens er tot nu toe niet in zijn geslaagd om de grootte of dikte van de heliosfeer te voorspellen. Volgens haar moeten de gegevens die de rol van turbulentie, reconnectie, golf-deeltje-interacties en geleiding in de buitenste lagen van het zonnestelsel beschrijven, nog in de modellen worden geïntegreerd. Dat wordt het werk van haar team, dat hoopt een voorspellend model te produceren dat onderzoekers kan helpen de waarnemingen van een IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) te begrijpen, die gepland staat voor lancering in 2024.

“De modellen die we nu hebben, kunnen de antwoorden niet voorspellen,” zegt Opher. “Dus zullen we betere modellen bouwen, en om dat te doen hebben we experts op vele gebieden ingeschakeld.”

De experts die Opher heeft verzameld zijn onder andere John Richardson, hoofdonderzoekswetenschapper aan MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, die de programmamanager van SHIELD zal zijn. Andere medewerkers zijn afkomstig van het MIT, de Universiteit van Michigan, het Johns Hopkins University Applied Physics Lab, NASA Goddard, het California Institute of Technology, het Southwest Research Institute, de Universiteit van Arizona, de Universiteit van Alabama in Huntsville, de Universiteit van Harvard en de Universiteit van Princeton.

De 1,3 miljoen dollar financiering voor fase één van het NASA-initiatief is bedoeld om Opher’s DRIVE Science Center twee jaar lang onderzoek te laten doen. Fase twee zal, indien toegekend, nog eens vijf jaar onderzoek ondersteunen met een financiering van ongeveer 5 miljoen dollar per jaar.

“Het idee is dat in de volgende fase zaken worden bestudeerd zoals het effect van de heliosfeer op de evolutie van het leven,” zegt Opher. “We weten bijvoorbeeld dat de hoeveelheid straling invloed heeft op de bewolking, en bewolking is essentieel voor leven. Als we meer zouden weten over de straling op Mars, zouden we kunnen zeggen of er ooit leven mogelijk is geweest.”

Voor astrofysici is de intellectuele uitdaging om de mysteries van de heliosfeer te ontrafelen onweerstaanbaar, en de invloed van de heliosfeer op het leven op aarde – en mogelijk op andere planeten in andere zonnestelsels – is het meest verleidelijke brandpunt van hun zoektocht.

“Merav is een wereldleider in de studie van de heliosfeer,” zegt astrofysicus Avi Loeb, voorzitter van de astronomie aan Harvard University. “Er is niemand ter wereld die de onderliggende fysica beter begrijpt dan zij.”

Opher en Loeb hebben samengewerkt aan een nieuw onderzoek naar de grootte van onze heliosfeer, en de bevindingen zullen binnenkort worden gepubliceerd in Nature Astronomy. Loeb zegt dat als we de grootte van de heliosfeer kennen, we bijvoorbeeld de sterkte kunnen meten van de stellaire wind die de heliosfeer genereert.

“Als deze stellaire wind erg krachtig is, zou hij de atmosfeer van planeten ter grootte van de aarde die in de bewoonbare zone van de ster liggen, strippen,” zegt hij. “Dit is vooral belangrijk voor sterren met een lage massa… zoals onze naaste buur, Proxima Centauri, die een planeet in zijn bewoonbare zone heeft. De ster is honderden keren zwakker dan en deze planeet staat 20 keer dichter bij de ster dan de afstand van de aarde tot . Daardoor wordt hij blootgesteld aan een sterkere wind. Als we weten hoe sterk deze wind is, kunnen we uitzoeken of zijn atmosfeer waarschijnlijk is gestript.”

Data ontvangen van NASA’s bestaande ruimtevaartuigen op afstand ondersteunen de overtuiging dat de huid van de heliosfeer de Aarde afschermt van de kosmische stralen die door de diepe ruimte suizen. Over het deel van de kosmische straling dat door het schild heen komt, zoals alles aan de heliosfeer, wordt gediscussieerd, maar men denkt dat het ongeveer 25% is, genoeg om wetenschappers ervan te overtuigen dat het schild essentieel is voor het leven op Aarde, en elders. Want net als ons eigen zonnestelsel heeft elk sterrensysteem zijn eigen beschermende bubbel.

“Hoe meer we begrijpen over processen in onze heliosfeer,” zegt Opher, “hoe meer we weten over processen in alle astrosferen en over voorwaarden die nodig zijn om bewoonbare planeten te creëren.”

Verken Gerelateerde Onderwerpen:

• Astronomie
• Gegevenswetenschappen
• Diversiteit
• Aarde &Milieu
• NASA
• Onderzoek
• STEM