BU:s astrofysiker Merav Opher kommer att leda NASA:s nya DRIVE-forskningscenter (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate), vars syfte är att utveckla en prediktiv modell av heliosfären. Foto av Cydney Scott

Rymdvetenskap

BU:s astrofysiker Merav Opher kommer att leda ett NASA-finansierat center med uppdrag att förstå heliosfärens form och storlek

För att förstå heliosfären, en kosmisk kraft som astrofysiker tror skyddar oss från kraftfull strålning från universum, kan man föreställa sig en enorm bubbla som omger solen. Bubblan är så stor att den sträcker sig långt utanför vårt solsystem, och den susar genom rymden tillsammans med solen. Ingen vet egentligen hur heliosfären ser ut, eller för den delen hur stor den är.

Astrofysikerna vet dock att det inne i heliosfären finns en ständig storm av upphettade och laddade partiklar som utgår från solen. De vet också att utanför heliosfären är den djupa rymden pepprad med dödlig kosmisk strålning. Och de tror att heliosfärens hud fungerar som en sköld som blockerar de flesta av dessa strålar och skyddar allt inom bubblan, framför allt livet på jorden.

”Vi försöker alla förstå den här bubblan”, säger astrofysikern Merav Opher, docent i astronomi vid Boston University College of Arts & Sciences.

Nu, tack vare en investering på 12 miljoner dollar som NASA nyligen gjorde i nio nya forskningscentra för heliosfären vid universitet runt om i USA – ett av rymdorganisationens största centrumbaserade initiativ som syftar till att ta itu med en stor utmaning – hoppas astrofysiker runt om i landet, däribland Opher, att kunna klättra uppför vad som verkar vara en mycket brant inlärningskurva. Vid BU, som är inrymt i universitetets center för rymdfysik, kommer Opher att vara huvudforskare och ledare för NASA:s nya DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) Science Center, som har tilldelats 1,3 miljoner dollar. Det teamet, som består av experter som Opher rekryterat från 11 andra universitet och forskningsinstitut, kommer att utveckla en prediktiv modell av heliosfären i ett arbete som teamet har döpt till SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion exchange and Large scale Dynamics).

Ohers SHIELD-team har till uppgift att finna svar på fyra mycket stora frågor: Vad är heliosfärens övergripande struktur? Hur utvecklas dess joniserade partiklar och hur påverkar de heliosfäriska processerna? Hur interagerar heliosfären med och påverkar det interstellära mediet, den materia och strålning som finns mellan stjärnorna? Och hur filtreras eller transporteras kosmisk strålning genom heliosfären?

Ett andra projekt som ingår i det BU-ledda NASA DRIVE Science Center kommer att utveckla ett utåtriktat program som riktar sig till elever från K-12 ända upp till fakulteten – med målet att utbilda, rekrytera och behålla underrepresenterade befolkningsgrupper inom plasmavetenskapen i rymden.

Detta arbete kommer att ledas av Joyce Wong, professor i biomedicinsk teknik vid BU College of Engineering och chef för BU:s ARROWS-program (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM). Wong kommer att utforska nya sätt att diversifiera rymdplasmafältet och stärka dess gemenskapskänsla bland underrepresenterade grupper samt utöka mentorinsatser som kan förbättra mångfalden bland de sökande till fakultetsanställningar.

För Opher är denna aspekt av NASA:s nya DRIVE-center lika viktig som utvecklingen av en prediktiv global modell av heliosfären. Som en av de mycket få kvinnorna inom rymdfysik och medlem av BU:s arbetsgrupp för HBTQIA+ har Opher länge varit en kraftfull förespråkare för att öka antalet kvinnor och underrepresenterade grupper inom STEM.

Utforska grundläggande okända frågor

I dag, säger Opher, är så grundläggande begrepp som heliosfärens form fortfarande föremål för debatt. Vissa modeller föreslår att den liknar en komet med en lång svans. Ophers forskning avslöjar däremot en heliosfärmodell som är mer formad som en croissant.

Det mesta vi vet om heliosfären, säger hon, kommer från fyra stora NASA-projekt: Voyager 1, Voyager 2, rymdfarkosten New Horizon och kartorna över energineutrala atomer (ENA) som genererats av Interstellar Boundary Explorer och Cassini-uppdragen. Opher påpekar att två av dessa källor, Voyager 1 och Voyager 2-sonderna, sköts upp redan 1977 med teknik ombord som utformades på 1960-talet. Ingen av dessa rymdsonder var utformade för att studera heliosfären.

Voyager 1 var avsedd att titta på Saturnus, Saturnus största måne, och Jupiter, medan Voyager 2 var inriktad på Uranus och Neptunus – alla destinationer väl inom gränserna för heliosfären och vårt solsystem. Ändå har båda sonderna på ett häpnadsväckande sätt fortsatt bortom sina mål, och ännu viktigare, bortom heliosfärens hud, varifrån de fortsätter att skicka data tillbaka till jorden.

Andra rymdsonder, särskilt IBEX och Cassini, bidrar också med uppgifter om heliosfären, men Opher säger att modeller av dessa uppgifter hittills inte har kunnat förutsäga heliosfärens storlek eller tjocklek. Hon säger att data som beskriver de roller som spelas av turbulens, återkoppling, vågpartikelinteraktioner och ledning i solsystemets yttre skikt ännu inte har integrerats i modellerna. Det kommer att bli arbetet för hennes grupp, som hoppas kunna ta fram en prediktiv modell som kan hjälpa forskarna att förstå observationerna från en IMAP-sond (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) som planeras att skjutas upp 2024.

”De modeller vi har nu kan inte förutsäga svaren”, säger Opher. ”Så vi kommer att bygga bättre modeller, och för att göra det har vi tagit in experter på många områden.”

De experter som Opher har samlat är bland annat John Richardson, forskningsledare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, som kommer att vara SHIELD:s programledare. Ytterligare medarbetare kommer från 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 och Princeton University.

Finansieringen på 1,3 miljoner dollar för den första fasen av NASA-initiativet är tänkt att ge Opher’s DRIVE Science Center två års forskning. Fas två, om den beviljas, kommer att stödja ytterligare fem års forskning med cirka 5 miljoner dollar i finansiering per år.

”Tanken är att nästa steg ska studera saker som heliosfärens effekt på livets utveckling”, säger Opher. ”Vi vet till exempel att strålningsmängden påverkar molntäckningen, och molntäckningen är viktig för livet. Om vi visste mer om strålningen på Mars skulle vi kunna avgöra om liv någonsin var möjligt.”

För astrofysikerna är den intellektuella utmaningen att lösa heliosfärens mysterier oemotståndlig, och heliosfärens inflytande på livet på jorden – och möjligen på andra planeter i andra solsystem – är det mest lockande fokuset i deras sökande.

”Merav är världsledande inom studiet av heliosfären”, säger astrofysikern Avi Loeb, professor i astronomi vid Harvard University. ”Det finns ingen person i världen som förstår den underliggande fysiken bättre än vad hon gör.”

Opher och Loeb har arbetat tillsammans med en ny studie av storleken på vår heliosfär, och resultaten kommer snart att publiceras i Nature Astronomy. Loeb säger att om vi vet hur stor heliosfären är kommer vi till exempel att kunna mäta styrkan hos den stjärnvind som genererar den.

”Om denna stjärnvind är mycket kraftig skulle den ta bort atmosfären från jordstora planeter som ligger i stjärnans beboeliga zon”, säger han. ”Detta är särskilt viktigt för stjärnor med låg massa … som vår närmaste granne, Proxima Centauri, som har en planet i sin beboeliga zon. Stjärnan är hundratals gånger svagare än och den här planeten är 20 gånger närmare stjärnan än jordens avstånd från . Därför är den utsatt för en starkare vind. Om vi vet hur stark denna vind är kan vi ta reda på om dess atmosfär sannolikt har blivit avskalad.”

Data från NASA:s befintliga fjärrstyrda rymdfarkoster stödjer övertygelsen om att heliosfärens hud skyddar jorden från de kosmiska strålar som rusar genom den djupa rymden. Hur stor del av de kosmiska strålarna som tar sig igenom skölden, liksom allt annat som rör heliosfären, kan diskuteras, men man tror att den uppgår till cirka 25 procent, vilket är tillräckligt för att övertyga forskarna om att skölden är nödvändig för livet på jorden och på andra ställen. För precis som vårt eget solsystem har varje stjärnsystem sin egen skyddsbubbla.

”Ju mer vi förstår om processerna i vår heliosfär”, säger Opher, ”desto mer vet vi om processerna i alla astrosfärer och om de förhållanden som krävs för att skapa beboeliga planeter.”

Utforska relaterade ämnen:

• Astronomi
• Datavetenskap
• Mångfald
• Jord &Miljö
• NASA
• Forskning
• STEEM