Astrofizyk Merav Opher z Uniwersytetu w Bostonie będzie kierował nowym centrum naukowym NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate), którego celem jest opracowanie modelu predykcyjnego heliosfery. Photo by Cydney Scott

Aby zrozumieć heliosferę, kosmiczną siłę, która według astrofizyków chroni nas przed potężnym promieniowaniem emanującym z wszechświata, wyobraźmy sobie ogromną bańkę otaczającą Słońce. Bańka jest tak duża, że rozciąga się daleko poza nasz Układ Słoneczny i mknie przez przestrzeń razem ze Słońcem. Nikt tak naprawdę nie zna kształtu heliosfery, ani tym bardziej jej rozmiarów.

Astrofizycy wiedzą, że wewnątrz heliosfery jest stała burza ogrzewanych i naładowanych cząstek, które emanują ze słońca. Wiedzą również, że poza heliosferą, głęboka przestrzeń kosmiczna jest usiana śmiercionośnymi promieniami kosmicznymi. I wierzą, że skóra heliosfery działa jak tarcza, blokując większość tych promieni i chroniąc wszystko wewnątrz bańki, co najważniejsze, życie na Ziemi.

„Wszyscy próbujemy zrozumieć tę bańkę”, mówi astrofizyk Merav Opher, profesor nadzwyczajny astronomii Boston University College of Arts & Sciences.

Teraz, dzięki niedawnej inwestycji NASA w wysokości 12 milionów dolarów w dziewięć nowych centrów badań heliosfery na uniwersytetach w całych Stanach Zjednoczonych – jednej z największych inicjatyw agencji kosmicznej opartej na centrach, skierowanej na wielkie wyzwanie – astrofizycy w całym kraju, w tym Opher, mają nadzieję wspiąć się na to, co wydaje się być bardzo stromą krzywą uczenia się. W BU, w Uniwersyteckim Centrum Fizyki Kosmicznej, Opher będzie głównym badaczem i liderem nowego Centrum Naukowego NASA DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate), któremu przyznano 1,3 miliona dolarów. Ten zespół, składający się z ekspertów Ophera zwerbowanych z 11 innych uniwersytetów i instytutów badawczych, będzie rozwijać model predykcyjny heliosfery w wysiłku, który zespół nazwał SHIELD (wiatr słoneczny z wymianą jonów wodoru i dużą skalę Dynamics).

Opher’s SHIELD zespół jest odpowiedzialny za znalezienie odpowiedzi na cztery bardzo duże pytania: Jaka jest ogólna struktura heliosfery? Jak ewoluują jej zjonizowane cząstki i jak wpływają na procesy zachodzące w heliosferze? Jak heliosfera oddziałuje i wpływa na ośrodek międzygwiezdny, materię i promieniowanie istniejące pomiędzy gwiazdami? I jak promienie kosmiczne są filtrowane przez heliosferę lub transportowane przez nią?

Drugi projekt zawarty w prowadzonym przez BU Centrum Naukowym NASA DRIVE opracuje program zasięgowy – skierowany do studentów od K-12 aż po wykładowców – którego celem będzie szkolenie, rekrutacja i utrzymanie niedostatecznie reprezentowanych populacji w naukach o plazmie kosmicznej.

Tym wysiłkiem będzie kierować Joyce Wong, profesor inżynierii biomedycznej w BU College of Engineering i dyrektor BU ARROWS (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM) program. Wong będzie badać nowe sposoby dywersyfikacji pola plazmy kosmicznej i wzmocnienia jej poczucia wspólnoty wśród niedoreprezentowanych grup oraz rozszerzyć działania mentorskie, które mogą poprawić różnorodność wśród puli kandydatów na stanowiska wydziałowe.

Dla Opher, ten aspekt nowego centrum NASA DRIVE jest tak samo ważny jak rozwój predykcyjnego globalnego modelu heliosfery. Jako jedna z niewielu kobiet w dziedzinie fizyki kosmicznej i członek grupy zadaniowej BU ds. LGBTQIA+, Ophera od dawna jest potężnym orędownikiem zwiększenia liczby kobiet i grup niedoreprezentowanych w STEM.

Badanie fundamentalnych niewiadomych

Dzisiaj, mówi Ophera, koncepcje tak fundamentalne jak kształt heliosfery pozostają przedmiotem debaty. Niektóre modele sugerują, że przypomina ona kometę z długim ogonem. Badania Ophera, dla kontrastu, ujawniają model heliosfery w kształcie bardziej przypominającym rogalik.

Większość tego, co wiemy o heliosferze, jak mówi, pochodzi z czterech głównych projektów NASA: Voyager 1, Voyager 2, sonda kosmiczna New Horizon, oraz mapy energetycznego atomu neutralnego (ENA) wygenerowane przez misje Interstellar Boundary Explorer i Cassini. Opher zwraca uwagę, że dwa z tych źródeł, sondy Voyager 1 i Voyager 2, zostały wystrzelone w 1977 roku, niosąc na pokładzie technologię zaprojektowaną w latach 60-tych. Żadna z tych sond kosmicznych nie została zaprojektowana do badania heliosfery.

Voyager 1 miał za zadanie przyjrzeć się Saturnowi, największemu księżycowi Saturna, oraz Jowiszowi, podczas gdy Voyager 2 był skierowany na Urana i Neptuna – wszystkie te cele znajdują się w granicach heliosfery i naszego Układu Słonecznego. Jednak, co zadziwiające, obie sondy kontynuowały podróż poza swoje cele, a co ważniejsze, poza skórę heliosfery, z której nadal wysyłają dane na Ziemię.

Inne statki kosmiczne, zwłaszcza IBEX i Cassini, również przyczyniają się do danych heliosferycznych, ale Opher mówi, że modele tych danych do tej pory nie przewidziały rozmiaru lub grubości heliosfery. Mówi, że dane opisujące rolę turbulencji, rekoneksji, oddziaływań falowo-cząsteczkowych i przewodnictwa w zewnętrznych warstwach Układu Słonecznego nie zostały jeszcze zintegrowane w modelach. To będzie praca jej zespołu, który ma nadzieję stworzyć model predykcyjny, który pomoże naukowcom zrozumieć obserwacje sondy IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) zaplanowanej do wystrzelenia w 2024 roku.

„Modele, które teraz mamy nie są w stanie przewidzieć odpowiedzi,” mówi Opher. „Dlatego zbudujemy lepsze modele i w tym celu zatrudniliśmy ekspertów z wielu dziedzin.”

Wśród ekspertów, których zgromadził Opher, jest John Richardson, główny naukowiec badawczy w MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, który będzie kierownikiem programu SHIELD. Dodatkowi współpracownicy pochodzą z MIT, Uniwersytetu Michigan, Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, NASA Goddard, Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, Południowo-Zachodniego Instytutu Badawczego, Uniwersytetu Arizony, Uniwersytetu Alabamy w Huntsville, Uniwersytetu Harvarda i Uniwersytetu Princeton.

1,3 miliona dolarów finansowania dla fazy pierwszej inicjatywy NASA ma na celu przeprowadzenie DRIVE Science Center Ophera przez dwa lata badań. Faza druga, jeśli zostanie przyznana, będzie wspierać kolejne pięć lat badań z około 5 milionami dolarów finansowania rocznie.

„Pomysł jest taki, że następny etap będzie badać takie rzeczy jak wpływ heliosfery na ewolucję życia,” mówi Ophera. „Wiemy, na przykład, że ilość promieniowania wpływa na pokrycie chmur, a pokrycie chmur jest niezbędne dla życia. Gdybyśmy wiedzieli więcej o promieniowaniu na Marsie, moglibyśmy stwierdzić, czy życie było kiedykolwiek możliwe.”

Dla astrofizyków intelektualne wyzwanie rozwikłania tajemnic heliosfery jest nie do odparcia, a wpływ heliosfery na życie na Ziemi – i być może na innych planetach w innych układach słonecznych – jest najbardziej kuszącym przedmiotem ich poszukiwań.

„Merav jest światowym liderem w badaniu heliosfery”, mówi astrofizyk Avi Loeb, wykładowca astronomii na Uniwersytecie Harvarda. „Nie ma na świecie osoby, która rozumiałaby fizykę leżącą u jej podstaw lepiej niż ona.”

Opher i Loeb pracowali razem nad nowym badaniem wielkości naszej heliosfery, a wyniki zostaną wkrótce opublikowane w Nature Astronomy. Loeb mówi, że znajomość rozmiaru heliosfery pozwoli nam na przykład zmierzyć siłę wiatru gwiazdowego, który ją generuje.

„Jeśli ten wiatr gwiezdny jest bardzo silny, pozbawiłby atmosfery planety wielkości Ziemi, które leżą w strefie zamieszkiwalnej gwiazdy,” mówi. „Jest to szczególnie ważne dla gwiazd o niskiej masie… jak nasza najbliższa sąsiadka, Proxima Centauri, która posiada planetę w swojej strefie zamieszkiwalnej. Gwiazda jest setki razy bledsza niż i ta planeta jest 20 razy bliżej gwiazdy niż odległość Ziemi od . W rezultacie jest ona wystawiona na działanie silniejszego wiatru. Wiedząc, jak silny jest ten wiatr pozwoli nam dowiedzieć się, czy jej atmosfera została prawdopodobnie pozbawiona.”

Dane otrzymane od istniejących zdalnych statków kosmicznych NASA wspierają przekonanie, że skóra heliosfery osłania Ziemię przed promieniami kosmicznymi, które zing przez głęboką przestrzeń. Część promieni kosmicznych, które przedostają się przez osłonę, podobnie jak wszystko co dotyczy heliosfery, jest kwestią dyskusyjną, ale uważa się, że wynosi ona około 25 procent, wystarczająco dużo, by przekonać naukowców, że osłona jest niezbędna dla życia na Ziemi i w innych miejscach. Ponieważ podobnie jak nasz własny układ słoneczny, każdy system gwiezdny ma swój własny bąbel ochronny.

„Im więcej rozumiemy o procesach w naszej heliosferze”, mówi Opher, „tym więcej wiemy o procesach we wszystkich astrosferach i o warunkach niezbędnych do stworzenia planet nadających się do zamieszkania.”

Poznaj pokrewne tematy:

• Astronomia
• Nauki o danych
• Różnorodność
• Ziemia &Środowisko
• NASA
• Badania
• STEM

.