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I confini del sistema solare sono ricchi di idrogeno

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Dopo più di 40 anni di viaggio e oltre 20 miliardi di chilometri percorsi le sonde Voyager si trovano ben oltre l’orbita del piccolo Plutone, in una terra di nessuno dove esiste un confine invisibile rappresentato da un campo magnetico, lì dove termina il dominio del Sole e inizia il gelido spazio interstellare.
In questo luogo lontano, le particelle e la luce irradiate da centinaia di miliardi di soli che compongono la Via Lattea si scontrano con i resti del Big Bang, avvenuto 13,7 miliardi di anni fa.
Queste particelle primordiali di radiazioni e materia sono noti come “mezzo interstellare” e tra loro ci sono le antiche tracce del passato del nostro sistema solare e forse indizi su come interpretare il suo futuro.
Dopo il lavoro svolto dalle vecchie sonde Voyager, anche un’altro oggetto fabbricato dall’uomo sta esplorando i profondi recessi del sistema solare, la sonda New Horizons della NASA che ci aiuta a rivedere le stime di una importante proprietà del mezzo interstellare: il suo contenuto di idrogeno, il primo elemento creato dal Big Bang. I risultati sono stati pubblicati sull’Astrophysical Journal e mostrano nuove osservazioni secondo cui il mezzo interstellare locale contiene circa il 40% in più di atomi di idrogeno rispetto a quanto suggerito da studi precedenti. I risultati unificano una serie di misurazioni e gettano nuova luce sulla composizione dello spazio prossimo al sistema solare.
Il sistema solare orbita attorno al nucleo della Via Lattea a grande velocità e mentre lo fa incontra una nebbia di particelle interstellari dalle quali è schermata dalla bolla magnetica creata dal Sole. Alcune di queste particelle tuttavia riescono a penetrare la bolla.
L’eliosfera, grazie ai suoi campi magnetici è in grado di respingere le particelle cariche, tuttavia più della metà dei gas interstellari sono neutri. Mentre li attraversiamo, le particelle neutre filtrano attraverso la bolla magnetica, aggiungendo massa al vento solare.
È come se stessi correndo attraverso una nebbia pesante, raccogliendo acqua“, ha detto Eric Christian, fisico spaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, MD. “Mentre corri, ti si inzuppano i vestiti e questo ti rallenta”.
Appena quegli “atomi interstellari” entrano nella nostra eliosfera, vengono colpiti dalla radiazione solare e colpiti dalle particelle del vento solare. Molti di questi atomi neutri perdono i loro elettroni nello scontro, diventando “ioni” caricati positivamente. Questa nuova popolazione di particelle, sebbene cambiata, porta con sé i segreti della nebbia interstellare.
“Non abbiamo osservazioni dirette di atomi interstellari da New Horizons, ma possiamo osservare questi ioni”, ha detto Pawel Swaczyna, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Princeton e autore principale dello studio. “Sono privati ​​di un elettrone, ma sappiamo che ci sono arrivati ​​come atomi neutri dall’esterno dell’eliosfera”.
Oggi abbiamo questa sonda, molto sofisticata e moderna, la sonda spaziale New Horizons della NASA, lanciata nel gennaio 2006, adatta a misurarli. A cinque anni dall’appuntamento con Plutone, avvenuto nel 2015, dove ha ripreso le prime immagini ravvicinate del pianeta nano, oggi si addentra nella fascia di Kuiper ai margini del nostro sistema solare dove può catturare gli ioni. Il Solar Wind Around Pluto, o SWAP, può rilevare questi ioni captanti, distinguendoli dal normale vento solare per la loro energia molto più elevata.
La quantità di ioni rilevati da New Horizons svela lo spessore della nebbia che stiamo attraversando. Più ioni capta la New Horizons, più densa deve essere la nebbia interstellare all’esterno.
Swaczyna ha utilizzato le misurazioni di SWAP per scoprire la densità dell’idrogeno neutro, dove il vento solare si scontra con il mezzo interstellare e rallenta bruscamente. Dopo mesi di accurati controlli e test, il numero che hanno trovato era di 0,127 particelle per centimetro cubo, o circa 120 atomi di idrogeno in uno spazio delle dimensioni di un quarto di litro.
Questo risultato ha confermato uno studio del 2001 che ha utilizzato il Voyager 2, a circa 4 miliardi di miglia di distanza, per misurare quanto il vento solare avesse rallentato nel momento in cui è arrivato alla sonda. Il rallentamento, in gran parte dovuto all’intervento delle particelle del mezzo interstellare, ha suggerito una densità di idrogeno interstellare corrispondente a circa 120 atomi di idrogeno in uno spazio delle dimensioni di un quarto di litro.
Gli studi più recenti convergevano attorno a un numero diverso. Gli scienziati che hanno utilizzato i dati della missione Ulisse della NASA, da una distanza leggermente più vicina al Sole di Giove, hanno misurato gli ioni captati e stimato una densità di circa 85 atomi di idrogeno nello spazio di un quarto di litro. Alcuni anni dopo, uno studio diverso che combinava i dati di Ulisse e Voyager ha trovato un risultato simile.
“Sai, se scopri che qualcosa di diverso dal lavoro precedente, la tendenza naturale è quella di iniziare a cercare i tuoi errori”, ha detto Swaczyna.
Ma dopo aver lavorato un po’, il nuovo numero ha cominciato ad assomigliare a quello giusto. Le misurazioni di New Horizons si adattano meglio alle osservazioni basate su stelle lontane. Le misurazioni di Ulisse, d’altra parte, avevano un difetto: furono fatte molto più vicino al Sole, dove gli ioni captati sono più rari e le misurazioni più incerte.
“Le osservazioni di ioni di raccolta dell’eliosfera interna passano attraverso miliardi di miglia di filtraggio”, ha detto Christian. “Essere là fuori, dove si trova New Horizons, fa un’enorme differenza”.
Per quanto riguarda i risultati combinati Ulisse / Voyager, Swaczyna ha notato che uno dei numeri nel calcolo era obsoleto, inferiore del 35% rispetto al valore di consenso corrente. Il ricalcolo con il valore attualmente accettato ha fornito loro una corrispondenza approssimativa con le misurazioni di New Horizons e lo studio del 2001.
“Questa conferma del nostro vecchio, quasi dimenticato risultato è una sorpresa”, ha detto Arik Posner, autore dello studio del 2001 presso la sede della NASA a Washington, DC “Abbiamo pensato che la nostra metodologia piuttosto semplice per misurare il rallentamento del vento solare fosse stata superata da studi più sofisticati condotti da allora, ma non così”.
Passare da 85 atomi in un quarto di litro a 120 potrebbe non sembrare molto. Tuttavia, nella scienza basata su modelli come l’eliofisica, una modifica a un numero ha una sua influenza.
La nuova stima potrebbe aiutare a spiegare uno dei più grandi misteri dell’eliofisica degli ultimi anni. Non molto tempo dopo che la missione Interstellar Boundary Explorer o IBEX della NASA ha restituito il suo primo set di dati completo, gli scienziati hanno notato una strana striscia di particelle energetiche proveniente dal bordo anteriore della nostra eliosfera. Lo chiamavano “nastro IBEX”.
“Il nastro IBEX è stato una grande sorpresa: questa struttura ai margini del nostro sistema solare largo un miliardo di miglia, lungo 10 miliardi di miglia, che nessuno sapeva fosse lì”, ha detto Christian. “Ma anche quando abbiamo sviluppato i modelli per spiegare perché era lì, tutti i modelli hanno dimostrato che non dovrebbe essere così brillante come è”.
“La densità interstellare superiore del 40% osservata in questo studio è assolutamente critica”, ha affermato David McComas, professore di scienze astrofisiche alla Princeton University, ricercatore principale per la missione IBEX della NASA e coautore dello studio. “Questo non solo mostra che il nostro Sole è incorporato in una parte molto più densa dello spazio interstellare, ma può anche spiegare un errore significativo nei nostri risultati di simulazione rispetto alle effettive osservazioni dell’IBEX”.
Soprattutto, tuttavia, il risultato offre un’immagine migliore del nostro quartiere stellare locale.
“È la prima volta che strumenti osservano gli ioni captatori così lontano e la nostra immagine del mezzo interstellare locale corrisponde a quella di altre osservazioni astronomiche”, ha detto Swaczyna. “È un buon segno”.
https://phys.org/news/2020-10-evidence-neighborhood-space-stuffed-hydrogen.html

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