Voyager 2 raggiunge lo spazio interstellare: gli scienziati rilevano il salto di densità del plasma

Voyager 1 ha un compagno nel regno delle stelle. I ricercatori dell’Università dell’Iowa riferiscono che l’astronave Voyager 2 è entrata nel mezzo interstellare (ISM), la regione dello spazio al di fuori del confine a forma di bolla prodotto dal vento che scorre verso l’esterno dal sole. Voyager 2, quindi, diventa il secondo oggetto creato dall’uomo per uscire dall’influenza del nostro sole, dopo l’uscita solare di Voyager 1 nel 2012. In un nuovo studio, i ricercatori confermano il passaggio di Voyager 2 il 5 novembre 2018 nell’ISM notando un salto definitivo nella densità del plasma rilevato da uno strumento a onda al plasma a guida Iowa sul veicolo spaziale.

Il marcato aumento della densità del plasma è la prova del viaggio di Voyager 2 dal plasma caldo, a bassa densità caratteristica del vento solare al plasma freddo, ad alta densità dello spazio interstellare. È anche simile al salto di densità del plasma sperimentato da Voyager 1 quando attraversava lo spazio interstellare.

“In un certo senso storico, la vecchia idea che il vento solare verrà gradualmente ridotto via man mano che andrai oltre nello spazio interstellare non è semplicemente vera”, afferma Don Gurnett dello Iowa, corrispondente autore dello studio, pubblicato sulla rivista Nature Astronomy . “Dimostriamo con Voyager 2 — e in precedenza con Voyager 1 — che esiste un confine distinto là fuori. È semplicemente sorprendente come i fluidi, inclusi i plasmi, formino i confini.”

voyager 2
I fisici dell’Iowa hanno confermato che l’astronave Voyager 2 è entrata nello spazio interstellare, lasciando in effetti il ​​sistema solare. I dati di Voyager 2 hanno contribuito a caratterizzare ulteriormente la struttura dell’eliosfera, la struttura dell’eliosfera – la regione a forma di calza del vento creata dal vento del sole mentre si estende ai confini del sistema solare. Credito: NASA JPL

Gurnett, professore emerito nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’interfaccia utente, è il principale investigatore sullo strumento ad onde al plasma a bordo del Voyager 2. È anche il principale investigatore sullo strumento ad onde al plasma a bordo del Voyager 1 e autore dello studio del 2013 pubblicato su Science che ha confermato Il Voyager 1 era entrato nell’ISM. L’ingresso di Voyager 2 nell’ISM avvenne a 119.7 unità astronomiche (AU), o più di 11 miliardi di miglia dal sole.

Il Voyager 1 è passato all’ISM a 122,6 UA. Le astronavi furono lanciate a poche settimane l’una dall’altra nel 1977, con diversi obiettivi di missione e traiettorie nello spazio. Eppure attraversarono l’ISM praticamente alla stessa distanza dal sole. Ciò fornisce indizi preziosi sulla struttura dell’eliosfera: la bolla, a forma di calzino del vento, creata dal vento del sole mentre si estende ai confini del sistema solare.

“Implica che l’eliosfera sia simmetrica, almeno nei due punti in cui la nave spaziale Voyager ha attraversato”, afferma Bill Kurth, ricercatore dell’Università dello Iowa e coautore dello studio. “Ciò dice che questi due punti sulla superficie sono quasi alla stessa distanza. C’è quasi un fronte sferico in questo”, aggiunge Gurnett. “È come un proiettile contundente.”

I dati dello strumento Iowa su Voyager 2 forniscono anche ulteriori indizi sullo spessore dell’eliosfera, sulla regione esterna dell’eliosfera e sul punto in cui il vento solare si accumula contro il vento in avvicinamento nello spazio interstellare, che Gurnett paragona all’effetto di un spazzaneve su una strada cittadina. I ricercatori dello Iowa affermano che l’eliosfero ha vari spessori, in base ai dati che mostrano che Voyager 1 ha navigato 10 AU più lontano del suo gemello per raggiungere l’eliopausa, un confine in cui il vento solare e il vento interstellare sono in equilibrio e considerato il punto di attraversamento dello spazio interstellare. Alcuni avevano pensato che Voyager 2 avrebbe effettuato prima quella traversata, sulla base di modelli dell’eliosfera.

“È un po ‘come guardare un elefante con un microscopio”, dice Kurth. “Due persone si avvicinano a un elefante con un microscopio e escono con due diverse misurazioni. Non hai idea di cosa stia succedendo nel mezzo. Quello che fanno i modelli è cercare di prendere le informazioni che abbiamo da quei due punti e ciò che noi ho imparato durante il volo e messo insieme un modello globale di eliosfera che corrisponde a quelle osservazioni “.

L’ultima misurazione ottenuta dal Voyager 1 fu quando il veicolo spaziale era a 146 UA, o più di 13,5 miliardi di miglia dal sole. Lo strumento ad onda al plasma sta registrando che la densità del plasma sta aumentando, nei feed di dati da un veicolo spaziale ora così lontano che ci vogliono più di 19 ore per l’informazione dal veicolo spaziale alla Terra.

“I due Voyager sopravvivranno alla Terra”, afferma Kurth. “Sono nelle loro orbite attorno alla galassia per cinque miliardi di anni o più. E la probabilità che si imbattano in qualcosa è quasi zero. All’epoca potrebbero sembrare un po ‘logori”, aggiunge Gurnett con un sorriso.

Lo studio Iowa è uno dei cinque articoli su Voyager 2 pubblicati su Nature Astronomy . Questi documenti confermano il passaggio di Voyager 2 nello spazio interstellare e forniscono dettagli sulle caratteristiche dell’eliopausa.

Per la seconda volta nella storia dell’esplorazione spaziale, un veicolo creato dall’uomo ha lasciato il Sistema Solare raggiungendo lo spazio interstellare. Stiamo parlando di Voyager 2, la sonda Nasa che lo scorso 5 ottobre ha varcato i confini del nostro sistema planetario, seguendo le orme della gemella Voyager 1

Eliopausa, misure della Voyager 1 e 2

L’eliopausa è il confine tra il plasma eliosferico caldo (vento solare) e il plasma interstellare relativamente freddo. Le considerazioni sull’equilibrio della pressione mostrano che dovrebbe esserci un grande aumento della densità (fattore da 20 a 50) attraverso l’eliopausa. Qui riportiamo le misurazioni della densità degli elettroni dagli strumenti al plasma Voyager 1 e 2 vicino e oltre l’eliopausa. La densità del plasma nell’eliosfera esterna è in genere di circa 0,002 cm −3 . La densità elettronica misurata dallo strumento d’onda al plasma Voyager 2 nel mezzo interstellare, 0,039 cm −3 ± 15%, era il 30 gennaio 2019 a una distanza radiale eliocentrica di 119,7 au. Il salto di densità, circa un fattore 20, conferma che Voyager 2 ha attraversato l’eliopausa. La nuova densità è molto simile alla prima densità misurata nel mezzo interstellare dallo strumento ad onda al plasma Voyager 1, 0,055 cm -3 , il 23 ottobre 2013 a una distanza radiale di 122,6 au. Queste piccole differenze nelle densità e nelle distanze radiali sono probabilmente dovute alle posizioni relative del veicolo spaziale nello strato limite che si forma nel plasma interstellare appena oltre l’eliopausa

Spazio interstellare

Lo spazio interstellare è lo spazio fisico all’interno di una galassia non occupato da stelle o dai loro sistemi planetari. Per definizione, il medium interstellare risiede nello spazio interstellare. La densità media della materia in questa regione è di circa 106 particelle per m3, variando da un minimo di circa 104-105 nelle regioni della materia rarefatta fino a circa 108-1010 nella nebulosa oscura. Le regioni dove ci sono formazioni stellari possono raggiungere le 1012-1014 particelle per m3. Circa il 70% di questa massa è costituita da atomi di idrogeno solitari.

Questi è arricchito con atomi di elio e tracce di atomi più pesanti formatasi con la nucleosintesi stellare. Questi atomi possono essere espulsi nel medium interstellare dai venti stellari, o quando le stelle evolute incominciano a perdere i loro strati esterni, come ad esempio durante la formazione di una nebulosa planetaria. L’esplosione catastrofica di una supernova genererà un’onda d’urto in espansione composta da materiali espulsi, così come i raggi cosmici galattici. Un certo numero di molecole sono presenti nello spazio interstellare, come minuscole particelle di polvere di 0,1 µm.

spazio interstellare
Raffigurazione pittorica dell’interazione tra l’eliosfera del Sole (centro destra) e il medium interstellare (sinistra), a formare un bow shock.

Il mezzo interstellare locale, una regione di spazio entro 100 parsec del Sole, è di interesse sia per la sua vicinanza sia per la sua interazione con il Sistema Solare. Questo volume coincide quasi con una regione dello spazio nota come la Bolla Locale, che è caratterizzata dalla mancanza di nubi dense e fredde. Essa forma una cavità nel Braccio di Orione della galassia Via Lattea, con dense nubi molecolari situate lungo i bordi, come quelli nelle costellazioni di Ofiuco e Toro (la distanza effettiva al bordo di questa cavità varia dal 60–250 pc o più). Questo volume contiene circa 104-105 stelle e il gas interstellare locale controbilancia le astrosfere che circondano queste stelle, con il volume di ciascuna sfera che varia a seconda della densità locale del medium interstellare. La bolla locale contiene decine di nubi interstellari calde con temperature fino a 7 000 K e raggi di 0,5-5 pc.

Blow shock

Gli blow shock formano il confine tra una magnetosfera e un mezzo magnetizzato ambientale (o almeno circostante). Ciò si verifica quando il campo magnetico di un oggetto astrofisico interagisce con il plasma ambientale che scorre nelle vicinanze . Ad esempio, quando il vento solare , che scorre con una velocità relativa dell’ordine di 400 km / s, incontra il campo magnetico terrestre, si forma un confine a forma di arco. Per la Terra e altri pianeti magnetizzati, è il limite a cui la velocità del vento stellare diminuisce bruscamente a causa del suo approccio alla magnetopausa . Per le stelle, questo confine è tipicamente il bordo dell’astrosfera , dove il vento stellare incontra il mezzo interstellare. 

Il criterio di definizione di un’onda d’urto è che la velocità di massa del plasma scende da ” supersonico ” a “subsonico”, dove la velocità del suono c s è definita da

dove è il rapporto tra calori specifici , è la pressione e è la densità del plasma. Una complicazione comune in astrofisica è la presenza di un campo magnetico. Ad esempio, le particelle cariche che compongono il vento solare seguono percorsi a spirale lungo le linee del campo magnetico. La velocità di ciascuna particella mentre ruota attorno a una linea di campo può essere trattata in modo simile a una velocità termica in un gas ordinario e in un gas ordinario, la velocità termica media è all’incirca la velocità del suono.

Alloblow shock, la grande velocità in avanti del vento (che è il componente della velocità parallela alle linee di campo attorno alle quali girano le particelle) scende al di sotto della velocità con cui le particelle girano. Nel 2006, è stato rilevato uno shock di prua a infrarossi lontani vicino alla stella AGB R Hydrae.

Voyager 2 raggiunge lo spazio interstellare: gli scienziati rilevano il salto di densità del plasma 1
Lo shock di prua attorno a R Hydrae

Anche gli shock di arco sono una caratteristica comune negli oggetti Herbig Haro , in cui un deflusso collimato molto più forte di gas e polvere dalla stella interagisce con il mezzo interstellare, producendo shock di arco luminosi che sono visibili alle lunghezze d’onda ottiche.

Niente onda d’urto per l’eliosfera

I dati raccolti dalla sonda IBEX della NASA mostrano che l’eliosfera non si muove abbastanza velocemente da produrre un bow shock – “l’onda d’urto di prua” – che da alcuni decenni si riteneva essere presente nella nube di gas e polveri che incontra. Per arrivare al valore di soglia per questo fenomeno mancherebbero 11.000 chilometri all’ora nella velocità stimata. Il bow shock – l’”onda d’urto di prua” che finora si riteneva precedere l’eliosfera mentre fende le tenui nubi di gas e polveri – non esiste. È quanto afferma un nuovo studio basato sui dati raccolti dall’Interstellar Boundary Explorer (IBEX) della NASA i cui risultati sono riferiti in un articolo su “Science”.

“Lo scoppio sonico prodotto da un jet che supera la barriera del suono è un esempio terrestre di bow shock”, ha spiegato David McComas, principal investigator della missione IBEX e vice presidente della Space Science and Engineering Division del Southwest Research Institute (SwRI). “Quando il jet raggiunge velocità supersoniche, l’aria che si trova di fronte a esso non può allontanarsi abbastanza velocemente. Quando raggiunge la velocità del suono, l’interazione ha un brusco cambiamento, che dà origine a un’onda d’urto”.

Nel caso del Sole avrebbe dovuto accadere qualcosa di simile: da circa 25 anni si riteneva che l’eliosfera – la gigantesca bolla magnetica che contiene il sistema solare, il campo magnetico generato dal Sole e il vento solare – si muovesse abbastanza velocemente da formare un bow shock. Ma un parametro cruciale in questo caso è la velocità, e l’eliosfera sembra non possederne abbastanza. I dati di IBEX mostrano che l’eliosfera si muove nella nube interstellare locale a circa 83.000 chilometri all’ora, circa 11.000 km/h meno di quanto stimato in precedenza, quindi abbastanza lenta da creare un’onda più che un bow shock.

“Sebbene il bow shock certamente esista per molte altre stelle, i risultati mostrano che l’interazione del Sole non raggiunge la soglia critica per formare un’onda d’urto, perciò un’onda è un modello accurato di ciò che avviene davanti alla nostra eliosfera, proprio come l’onda di prua si forma via via che una nave procede sull’acqua”, ha concluso McComas.

Un altro parametro influente è la pressione magnetica nel mezzo interstellare: i dati, confermando quanto riscontrato in precedenza dalla sonda Voyager, mostrano che il campo magnetico nel mezzo interstellare è più intenso, il che richiede una velocità ancora più elevata per produrre un bow shock. I due fattori combinati tra loro portano a concludere che un bow shock nel caso del Sole è altamente improbabile.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Plasma densities near and beyond the heliopause from the Voyager 1 and 2 plasma wave instruments, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-019-0929-2 , https://nature.com/articles/s41550-019-0918-5
  2. Cosmic ray measurements from Voyager 2 as it crossed into interstellar space, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-019-0928-3
  3. Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-019-0929-2
  4. Magnetic field and particle measurements made by Voyager 2 at and near the heliopause, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-019-0929-2
  5. Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the heliopause and beyond, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-019-0929-2
  6. Sparavigna, AC; Marazzato, R. (10 maggio 2010). “Osservando gli shock stellari dell’arco”. arXiv : 1005.1527 [ physics.space-ph ].

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