A Voyager szondák mérései, a külső Helioszféra és csillagközi környezete Király Péter MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Kozmikus Fizikai Osztály Budapest, 2013. november 8.

Bevezető megjegyzések Napunk plazmakörnyezetét a napszél uralja, amely a Föld pályájának távolságában (1 AU ill. 1 CsE) csupán néhány iont tartalmaz cm3-enként, sebessége néhány száz km/s, sokszorosan nagyobb, mint a napszél-plazmában a magnetohidrodinamikai hullámok sebessége. A lokális csillagközi gáz részben semleges atomokat tartalmaz, ionizált része csak nehezen keveredik a mágnesezett napszéllel. A csillagközi semleges atomok behatolnak a napszélbe, ott részben ionizálódnak (pick-up), részben elérik a Föld pályáját is. A napszél-ionokkal töltést cserélve semleges napszél-atomok is megfigyelhetők műhold-pályáról. Ezeket méri az IBEX szonda.

Megbeszélendő témakörök Nap, Naprendszer, napszél, mágneses tér, Helioszféra A két Voyager szonda küldetése, pályája, műszerei Bolygók, holdak, bolygóközi mérések A nagy lökéshullámon belüli napszél-tartomány A helioszférikus lökéshullám körüli tartomány A szubszonikus napszél és a heliopauza Semleges atomok, pick-up ionok, anomális KS, KS Kilépett már a Voyager-1 a csillagközi közegbe? A környező és távolabbi csillagközi gáz Az IBEX küldetés és váratlan eredményei

Mi a Naprendszer és mi a Helioszféra? Naprendszer: Napunk gravitációs vonzáskörzete, ahol a Nap vonzása dominál, és ahonnan az égitestek csak ritkán tudnak kiszabadulni, pl. közel elhaladó más csillagok hatására. Sugara: 1-2 fényév (1 fényév = 63 241 CsE). Nincs éles határa. Köznapi értelemben: a 8 bolygó és kísérőik (kb. 30 AU sugárig) Helioszféra: Napunk plazmakörnyezete, ahol a Napból kiáramló napszél dominálja a plazmafolyamatokat. A napszél mágneses tere spirális a Nap forgása miatt. A csillagközi szél kb. úgy határolhatja a napszelet, mint a napszél az üstökösökből kiáramló gázt, vagy Földünk magnetoszféráját, de az analógia nem teljes.

A napszelet határoló lokális csillagközi közegről kevesebbet tudunk, Részben analóg rendszer: Földünk magnetoszférája, amelyet a napszél határol. A napszelet határoló lokális csillagközi közegről kevesebbet tudunk,

Elképzelés a Helioszféra szerkezetéről és határairól Külső lökéshullám Külső köpeny Belső köpeny (lassú napszél) Ionok Belső lökéshullám Gyors napszél Atomok Csillagközi szél Kozmikus sugárzás Heliopauza

A Helioszféra „nagy lökéshulláma” otthoni lefolyómban

A Nap-eredetű és a csillagközi plazma ionizált részének várt áramlása a Nap körüli Helioszférában és környezetében. Kérdés: menyire torzítja az egyszerű képet a belső és külső eredetű mágneses tér találkozása és a nagy energiájú részecskék okozta nyomás?

Vagy inkább ilyen lehet a Helioszféra Vagy inkább ilyen lehet a Helioszféra? Létezik-e itt a hajóknál látható orrhullám, az lökéshullám-e, és mögötte forró a plazma?

A napszélbe fagyott archimedesi spirál mágneses tér szerkezete A napszélbe fagyott archimedesi spirál mágneses tér szerkezete. A napciklustól függően északon kifelé vagy befelé irányuló mágneses teret a délitől áramlemez választja el. A lökéshullámon túl az erővonalak besűrűsödnek (vö. Erdős Géza előadásával).

A Voyager-küldetés

Előzmények 1961: „gravitációs rásegítés” ill. „gravitációs parittya” elv 1964-ben Gary Flandro PhD előtt, nyári gyakorlaton rájött, hogy ezen elv alapján a külső naprendszer bolygóit a 70-es években induló szondákkal mind végig lehetne látogatni. Ez 170-évenként lehetséges. Végül a Voyagerek kb. ezt az elképzelést valósították meg.

A Voyager űrszondák küldetése Elsődleges küldetés: a külső bolygók és holdjaik vizsgálata Másodlagos küldetés: a Helioszféra szerkezetének és határának vizsgálata, szerencsés esetben a csillagközi környezet kutatása A Voyager-1 (V1) a Jupiter és Szaturnusz környezetét, míg a V2 ezek mellett az Uránusz és Neptunusz rendszerét kutatta. 1989 után a Helioszféra vizsgálata elsődleges feladattá vált. Mindkét űrszonda kisebb károsodásokkal túlélte a nagybolygók környezetét, de a V1 plazmaműszere a Szaturnusznál elromlott. Várhatóan mindkét szonda 2020-25-ig küldhet adatokat a napszél és a csillagközi környezet bonyolult kölcsönhatásáról.

A Helioszférából kifelé tartó szondák jelenlegi helyzete (a csillagközi szél alulról ill balról fúj, sebessége kb. 24 km/s)

Néhány adat a Helioszférát, sőt később a Naprendszert is elhagyni készülő szondákról

A két Voyager szonda pályája 1990-ig

A Jupiter és holdjai, a Szaturnusz és a Neptunusz (V2, 1989-ig)

Az 1977-ben indított Voyager szondák szerkezete V2 és V1 36 éves születésnapja: 2013. aug. 20 ill. szept. 5. Jelenlegi távolságuk a Naptól: kb. 103 ill. 126 AU Fontos fedélzeti egységek: Radioaktív hőgenerátor (RTG), Pu238 oxid, 88 éves felezési idő Nagynyereségű antenna (23 W) Programozható számítógépek Magnó 62,5 MB kapacitással

A számunkra legfontosabb műszercsoportok Két szupratermális és energikus-részecske detektor: LECP (Low-Energy Charged Particle) detektor: 30keV-200MeV. Léptetőmotorral forgatott platform, irányeloszlás mérése CRS (Cosmic Ray Subsystem): 0.5 – 500 MeV/n, különböző ionok megkülönböztetése, elektron-detektálás Napszélplazma-detektor (Csak a Voyager 2-n működik): plazma sűrűsége, hőmérséklete és sebessége, 10 eV - 6 keV tartomány Magnetométer (a szonda forgatásával időnként kalibrálni kell) Plazmahullám detektor: 10Hz - 56kHz, két 10 m-es antennával.

Mindkét szonda áthaladt már a napszél szuperszonikus és szubszonikus tartományát elválasztó nagy lökéshullámon, 2004 decemberében ill. 2007 augusztusában, és az áthaladások sok meglepetést okoztak. Azóta a Voyager szondák a Helioszféra belső, lassú napszelet tartalmazó köpenyében haladtak kifelé, más-más környezetben. Emellett a 2008-ban fellőtt IBEX szonda is váratlan szerkezetet talált a külső helioszférából beáramló semleges atomoknál. Legújabb, még részben megmagyarázatlan felfedezés: 2012. augusztus 25-én a V1 áthaladt egy éles határon, ahol a néhány 100 keV-estől néhány 10 MeV-ig terjedő energiájú ionok fluxusa drasztikusan csökkent – kiléphetett a Helioszférából a csillagközi szélbe, vagy új, ismeretlen tartományba jutott.

A változások első jelei: MeV-es ionok drasztikus csökkenése, ugyanakkor a >70 MeV felettiek növekedése (július végén).

2012. augusztus 3-án, miután a július végi intenzitás-adatok a NASA-tól beérkeztek, az alábbi e-mailt küldtem több ismert kozmikus fizikusnak: „Voyager-1 data appear to indicate that our most distant messenger might be leaving the Heliosphere just now: low-energy ion count rates have drastically decreased, while those of relatively high-energy ones started to sharply increase. Of course it may not be the final farewell yet, but the changes are quite spectacular at present (see the current data enclosed).” (Bár ez akkor tényleg csak múló változásnak bizonyult, pár héttel később valóban végbement a maradandó változás is.)

2012. aug. 25-től a MeV-es fluxus stabilan lecsökkent, a 70 Mev fölötti (kozmikus sugárzás) megnövekedett. Azóta is lényegében változatlan mindkét fluxus.

Más energiákon is hasonlóak a változások: Energikus részecskék fluxusának változásai különböző energiákon 2004-től kezdve. Érdekes összevetni a lökéshullámot megelőző és a Helioszférából való kilépés után mért fluxus-adatokat!

3,4 és 17,6 MeV közötti energiájú ionok beütésszámának változásai (ilyen energiákon a legnagyobb a fluxus százalékos csökkenése)

Miért késtek több, mint egy évet annak bejelentésével, hogy 2012. aug Miért késtek több, mint egy évet annak bejelentésével, hogy 2012. aug. 25-én a Voyager-1 kilépett a Helioszférából? Ellenőrizni akarták, hogy a mágneses tér iránya lényegesen megváltozott-e, és „körbefolyja-e” a Helioszférát (draping). Ez hosszú időt vett igénybe, és negatív eredménnyel zárult, bár a mágneses tér erőssége a „kilépéskor” megnőtt. Nem volt elmélet, ami a kis energiájú és >70 MeV-es ionok ilyen gyors, ellentétes intenzitásváltozását magyarázni tudta. A Voyager-1 plazmaműszere nem működött, így a plazma állapotváltozását nem tudták közvetlenül mérni. A Helioszféra mágneses topológiájáról keveset tudunk. A Voyager-2 mérései sokban eltértek, nem adtak támpontot.

McComas modellje: még nem a Helioszféra határához értünk!? Lehet, hogy a MeV-es ionok a lökéshullám határán gyorsulnak fel, és a mágneses tér mentén nem tudnak túljutni egy mágneses felületen, míg a kozmikus sugárzás kívülről könnyedén bejuthat.

Bár a mágneses tér viselkedését most sem értjük, egy új, plazmarezgésekkel kapcsolatos mérési eredmény végül meggyőzte a kutatókat a Helioszférából való kilépésről. 2013 áprilisában egy korábbi (2012-es) napkitörésből származó plazmatömeg elérte a szondát, és olyan rezgéseket keltett, amelyek frekvenciája a csillagközi gázra, és nem a napszélre volt jellemző. Ezt megerősítette, hogy 2012 novemberében is találtak gyengébb rezgéseket, amelyek kissé kisebb frekvenciájúak voltak. A következtetést véglegesen talán csak az fogja igazolni, ha a Voyager-2 is kilép a Helioszférából, és működő plazmadetektora követi a plazma állapotváltozásait.

A döntőnek tekintett érv: az elektron plazma frekvencia A töltésegyensúly megbomlása esetén a híg plazmában az elektronok „hintázni” tudnak a lényegében álló protonokhoz képest. A visszatérítő elektromos tér arányos a töltéssűrűséggel: plazmarezgések jönnek létre. Frekvenciájuk:

Don Gurnett plazmafrekvencia- (elektronsűrűség-) mérései

Elektronsűrűség változásai a földpályától a csillagközi plazmáig

Köszönöm a figyelmet!

Kiegészítő képek

Az átmenet okozta anizotrópia kisebb, mint várható lenne. Esetleg talán mégsem a helioszféra határán ment át a Voyager-1??

2012. szeptemberi Nature cikk: a V1-nél a napszél ~2 éve leállt!

Kis- és nagyenergiás intenzitásváltozások

A V1 és V2 szonda néhány más mérési eredménye, illetve azok összehasonlítása

A V1 és V2 által mért beütés-ráták logaritmikus változékonyságának összehasonlítása

A V1 1 MeV körüli ionoktól eredő beütésszámainak változásai egymást követő napok között, leosztva a tisztán statisztikus okokból várt szórással (Poisson-eloszlást feltételezve). Látható, hogy 2008 és 2012 között valódi fluxusváltozás nem volt.

V2: korreláció a sűrűség és termikus sebesség között

IBEX (Interplanerary Boundary Explorer) képek

A 2008-ban fellőtt IBEX szonda energikus semleges atomok segítségével tanulmányozza a külső Helioszféra szerkezetét. Azt találták, hogy egy keskeny sávból jön a legtöbb semleges atom, és feltételezik, hogy ennek iránya a galaktikus mágneses térre merőleges. Ha ez igaz, a Helioszféra alakját részben a külső mágneses tér határozza meg.

Energikus semleges atomok öve és a mágneses Helioszféra

Az IBEX szonda eredeti és módosított pályái a Holdpályával. Az új pályákat sokkal kevésbé perturbálja a Hold tömege.

Egyes kutatók szerint a Helioszféra alakját szinte teljesen az erős külső, galaktikus mágneses tér határozza meg.