Heliosfeer

Die heliosfeer of sonsfeer is die magnetosfeer, astrosfeer en buitenste atmosfeerlaag van die Son. Dit het die vorm van 'n groot, borrelagtige streek van die ruimte. In terme van plasmafisika is dit die holte wat deur die Son gevorm word in die omringende interstellêre medium. Die "borrel" word aanhoudend "opgeblaas" deur plasma van die Son af, bekend as die sonwind. Buite die heliosfeer maak dié sonplasma plek vir die interstellêre plasma wat die Melkweg deurtrek. 

As deel van die interplanetêre magneetveld beskerm die heliosfeer die Sonnestelsel van aansienlike hoeveelhede kosmiese geïoniseerde straling; elektries neutrale gammastrale word egter nie geraak nie. Die term is waarskynlik uitgedink deur Alexander J. Dessler, wat glo die woord die eerste keer in 1967 in wetenskaplike geskrifte gebruik het. 

Die sonwind vloei miljarde kilometers ver deur die Sonnestelsel, tot ver anderkant selfs die Kuipergordel, waar Pluto is, totdat dit die grensskok teenkom, waar sy snelheid skielik afneem vanweë die druk van buite in die interstellêre medium. Die sonskede is 'n breë oorgangsgebied tussen die grensskok en die heliosfeer se buitegrens, die heliopouse. Die punt waar die interstellêre materie (wat in die teenoorgestelde rigting beweeg) tydens sy botsing met die sonsfeer vertraag word, staan bekend as die boegskok.

Die vorm van die heliosfeer lyk soos 'n komeet; dit is rofweg sferies aan die een kant met 'n lang stert aan die ander kant, bekend as die heliostert. Die wetenskaplike studie van die heliosfeer is heliofisika, wat ruimteweer en  insluit.

Twee Voyagerruimtetuie het die buitestreke van die heliosfeer verken en deur die grensskok en sonskede beweeg. Voyager 1 het op 25 Augustus 2012 die heliopouse verbygesteek en die heliosfeer verlaat, toe die tuig 'n skielike, veertigvoudige toename in plasmadigtheid gemeet het.

Voyager 2 het op 5 November 2018 die heliopouse verbygesteek. Omdat die heliopouse die grens is tussen materie van die Son afkomstig en dié wat in die res van die sterrestelsel ontstaan, is ruimtetuie wat die heliosfeer verbysteek (soos die twee Voyagers) in die interstellêre ruimte.

Struktuur

Ondanks sy naam is die heliosfeer nie 'n perfekte vorm nie. Sy vorm word deur drie faktore bepaal: die interstellêre medium (ISM), die sonwind en die algehele beweging van die Son en heliosfeer terwyl dit deur die ISM beweeg. Omdat die sonwind en ISM albei voeistowwe is, is die vorm en grootte van die heliosfeer ook vloeibaar. Veranderings in die sonwind verander egter die veranderlike posisies van die grense die meeste op kort tydskale (ure tot 'n paar jaar). Die sonwind se druk wissel op enige oomblik baie vinniger as die druk van die ISM van buite af. Veral die uitwerking van die sonsiklus van 11 jaar, wat met 'n minimum en maksimum in sonwindaktiwiteit gepaardgaan, is vermoedelik belangrik.

Op 'n breër skaal lei die beweging van die heliosfeer deur die vloeistofmedium van die ISM tot 'n algehele komeetagtige vorm. Die sonwindplasma wat min of meer in dieselfde rigting as die Son deur die sterrestelsel beweeg, word deur die ISM in 'n byna sferiese vorm saamgepers, terwyl die plasma wat in die teenoorgestelde rigting vloei, oor 'n veel langer afstand beweeg voordat dit plek maak vir die ISM, en dit veroorsaak die lang heliostert.

Die beperkte data wat beskikbaar is en die onverkende aard van dié strukture het gelei tot baie teorieë oor hulle vorm. In 2020 het Merav Opher die span navorsers gelei wat vasgestel het die vorm van die heliosfeer is 'n halfmaan wat as 'n pap croissant beskryf kan word.

Sonwind
Die sonwind bestaan uit deeltjies geïoniseerde atome van die Son se korona en velde soos die magneetveld wat deur die Son geskep word en die ruimte in vloei. Omdat die Son min of meer elke 25 dae roteer, word die heliosferiese magneetveld, wat deur die sonwind vervoer word, in 'n spiraal gedraai. 

Die sonwind beïnvloed baie ander stelsels in die Sonnestelsel; 'n voorbeeld is die wisselings in die Son se eie magneetveld wat deur die sonwind na buite gedra word en geomagnetiese storms in die Aarde se magnetosfeer veroorsaak.

Heliosferiese stroomlaag
Die heliosferiese stroomlaag is 'n rimpeling in die heliosfeer wat deur die roterende megneetveld van die Son veroorsaak word. Dit dui die grens aan tussen heliosferiese magneetveldstreke van teenoorgestelde polariteit. 

Die heliosferiese stroomlaag strek deur die hele heliosfeer en kan beskou word as die grootste struktuur in die Sonnestelsel; dit lyk glo soos 'n "ballerina se rok".

Kant van die heliosfeer
Die buitenste struktuur van die heliosfeer word bepaal deur die wisselwerkings tussen die sonwind en die winde van die interstellêre ruimte. Die sonwind stroom weg van die Son af in alle rigtings teen snelhede van verskeie honderde kilometers per sekonde. Op 'n punt ver anderkant Neptunus se wentelbaan moet dié supersoniese wind, wat vinniger as klank beweeg, se snelheid afneem wanneer dit die gasse van die interstellêre medium teenkom. Die snelheid word dan subsonies.

Die buitenste oppervlak van die sonskede, waar dit by die interstellêre medium kom, is bekend as die heliopouse. Dit is die kant van die hele heliosfeer. Teoreties gesproke veroorsaak die heliopouse onstuimigheid in die interstellêre medium terwyl die Son om die galaktiese middelpunt wentel. Buite die heliopouse sal daar 'n onstuimige streek wees wat veroorsaak word deur die druk van die bewegende heliopouse teen die interstellêre medium.

Grensskok

Die grensskok is die punt in die heliosfeer waar die sonwind spoed verminder tot subsoniese snelhede (relatief tot die Son) vanweë wisselwerkings met die plaaslike interstellêre medium. Dit veroorsaak samepersing, verhitting en 'n verandering in die magneetveld. In die Sonnestelsel is die grensskok vermoedelik 75 tot 90 AE van die Son af. In 2004 het Voyager 1 die Son se grensskok verbygesteek, gevolg deur Voyager 2 in 2007.

Die skok ontstaan omdat die deeltjies van die sonwind teen sowat 400 km/s van die Son af wegbeweeg, terwyl die klanksnelheid (in die interstellêre medium) sowat 100 km/s is. (Die presiese snelheid hang af van die digtheid, wat aansienlik wissel. In vergelyking hiermee wentel die Aarde teen sowat 30 km/s om die Son, die Internasionale Ruimtestasie wentel teen sowat 7,7 km/s om die Aarde, vliegtuie vlieg teen sowat 0,2-0,3 km/s, 'n motor op die snelweg bereik 'n snelheid van sowat 0,03 km/s en mense loop teen sowat 0,001 km/s.) 

Die interstellêre medium het egter 'n relatief konstante druk, hoewel dit 'n lae digtheid het; die druk van die sonwind neem af met die afstand van die Son af. Eindelik neem die druk af totdat die sonwind nie meer supersoniese snelhede teen die druk van die interstellêre medium kan handhaaf nie. Dan verminder die spoed tot subsoniese snelhede, en dit veroorsaak 'n boegskok. Verder van die Son af word die grensskok gevolg deur die heliopouse, waar die druk ewe groot raak en die deeltjies van die sonwind deur die interstellêre medium tot stilstand gebring word.

Ander grensskokke kan in verskeie stelsels op Aarde gesien word. Die maklikste een om te sien is waarskynlik deur 'n kraan in 'n wasbak oop te draai. Waar die water op die bodem van die wasbak tap, vorm dit 'n vlak vloei wat vinnig uitsprei (analoog aan die supersoniese sonwind). Daaromtrent vorm 'n grensskok van opwellende water, en daarbuite sprei die water stadiger uit (analoog aan die subsoniese interstellêre medium).

Bewyse voor die Amerikaanse Geofisiese Vereniging in Mei 2005 dui aan Voyager 1 het die grensskok in Desember 2004 verbygesteek, toe dit sowat 94 AE van die Son af was. Dit kon gesien word aan die verandering in magnetiese lesings wat van die ruimtetuig geneem is. In teenstelling daarmee het Voyager 2 terugkerende deeltjies begin teenkom toe dit net 76 AE van die Son af was, in Mei 2006. Dit dui daarop dat die heliosfeer dalk onreëlmatig gevorm is; dit bult dalk uit in die Son se noordelike halfrond en word na binne gedruk in die suide.

Sonskede
Die sonskede is die streek van die heliosfeer buite die grensskok. Hier word die sonwind vertraag, saamgepers en onstuimig gemaak deur sy wisselwerking met die interstellêre medium. Op sy naaste punt lê die binnekant van die sonskede omtrent 80 tot 100 AE van die Son af. Volgens 'n voorgestelde model is die sonskede soos die koma van 'n komeet gevorm en sleep dit verskeie kere dié afstand in die teenoorgestelde kant van die Son deur die ruimte. Aan sy windkant word sy dikte op tussen sowat 10 en 100 AE geraam. Wetenskaplikes van die Voyagerprojek het vasgestel die sonskede is nie "glad" nie – dit is eerder 'n "skuimerige sone" wat gevul is met magnetiese borrels wat elk sowat 1 AE breed is. Dié magnetiese borrels word geskep deur die impak van die sonwind met die interstellêre medium. Voyager 1 en 2 het in 2007 en 2008 onderskeidelik bewyse van die borrels begin bespeur. Die moontlik worsvormige borrels word gevorm deur magnetiese rekonneksies tussen teenoorgestelde sektore van die son se magneetveld terwyl die sonwind stadiger beweeg. 

Op 'n afstand van sowat 113 AE het Voyager 1 'n "stagnante streek" in die sonskede bespeur. Hier het die sonwind se snelheid afgeneem tot feitlik nul, die intensiteit van die magneetveld het verdubbel en elektrone van die sterrestelsel met 'n hoë energie het honderdvoudig vermeerder. By omtrent 122 AE het die ruimtetuig 'n nuwe streek binnegegaan wat wetenskaplikes die "magnetiese snelweg" genoem het: 'n streek steeds onder die Son se invloed, maar met sommige drastiese verskille.

Heliopouse
Die heliopouse is die teoretiese grens waar die sonwind tot stilstand gebring word deur die interstellêre medium; waar die sonwind se snelheid nie meer groot genoeg is om die sterwinde van die omringende sterre terug te stoot nie. Dit is waar die druk van die sonwind en die interstellêre medium balanseer. Die verbysteek van die heliopouse behoort gekenmerk te word deur 'n skerp daling in die temperatuur van sonwinddeeltjies, 'n verandering in die rigting van die magneetveld en 'n toename in die hoeveelheid galaktiese kosmiese strale.

In Mei 2012 het Voyager 1 'n skerp toename in sodanige kosmiese strale bespeur ('n toename van 9% binne 'n maand, gevolg deur 'n geleideliker toename van 25% van Januarie 2009 tot Januarie 2012), wat daarop gedui het dat dit die heliopouse nader. Tussen laat Augustus en vroeg September 2012 het Voyager 1 'n skerp daling in protone van die Son bespeur, van 25 deeltjies per sekonde in laat Augustus tot sowat 2 deeltjies per sekonde teen vroeg Oktober. In September 2013 het Nasa aangekondig Voyager 1 het die heliopouse teen 25 Augustus 2012 verbygesteek. Dit was op 'n afstand van 121 AE van die Son af. In teenstelling met voorspellings het data van Voyager 1 aangedui die magneetveld van die sterrestelsel lyn op met die Son se magneetveld.

Op 5 November 2018 het die Voyager 2-sending 'n skielike afname in die vloei van lae-energie-ione bespeur. Terselfdertyd het die vlak van kosmiese strale toegeneem. Dit was 'n aanduiding dat die ruimtetuig die heliopouse op 'n afstand van 119 AE van die Son af verbygesteek het. Anders as Voyager 1, het Voyager 2 nie interstellêre vloeibuise bespeur terwyl dit die sonskede verbygesteek het nie.

Heliostert
Die heliostert is die stert van die heliosfeer, en dus van die Sonnestelsel. Dit kan vergelyk word met die stert van 'n komeet (hoewel 'n komeet se stert nie agter hom aanbeweeg nie; dit wys altyd weg van die Son af). Die stert is 'n streek waar die sonwind in snelheid afneem en eindelik uit die heliosfeer ontsnap terwyl dit geleidelik verdamp vanweë ladingsuitruilings.

Die vorm van die heliostert (wat nuut ontdek is deur Nasa se Interstellar Boundary Explorer, IBEX) is dié van 'n vierblarige klawer. Die deeltjies in die stert skyn nie en kan dus nie met konvensionele optiese instrumente gemeet word nie. IBEX het die eerste waarnemings van die stert gedoen deur die energie te meet van "energieke neutrale atome", neutrale deeltjies wat geskep word deur botsings in die Sonnestelsel se grensstreek.

Die stert bevat vinnige en stadige deeltjies; die stadige deeltjies is aan die kant en die vinnige deeltjies in die middel. Die vorm van die stert kan verbind word met die Son wat vinnige sonwinde naby sy pole uitstuur en stadige sonwinde naby se ewenaar. 

Data van Cassini en IBEX het die "heliostert"-teorie in 2009 bevraagteken. In Julie 2013 het IBEX-resultate 'n vierlobbige stert aan die Sonnestelsel se heliosfeer onthul.

Buitestrukture
Die heliopouse is die finale bekende grens tussen die heliosfeer en die interstellêre ruimte, wat gevul is met materiaal, veral plasma, wat nie van die Son af kom nie maar van ander sterre. Tog is daar net buite die heliosfeer 'n oorgangstreek, soos deur Voyager 1 bespeur. Net soos interstellêre druk in 2004 al waargeneem is, sypel van die Son se materiaal in die interstellêre medium in. Die heliosfeer is vermoedelik geleë in die Plaaslike Interstellêre Wolk binne die Plaaslike Borrel, wat 'n streek in die Orion-Cygnus-arm van die Melkweg is.

Buite die heliosfeer is daar 'n veertigvoudige toename in die digtheid van plasma. Daar is ook 'n radikale afname in die bespeuring van sekere soorte deeltjies van die Son, asook 'n groot toename in galaktiese kosmiese strale. Die vloei van die interstellêre medium in die heliosfeer in is sedert 2013 deur minstens 11 verskillende ruimtetuie gemeet. Teen 2013 is vermoed dat die vloeirigting mettertyd verander het. Die vloei, wat uit die Aarde se perspektief uit die sterrebeeld Skerpioen kom, het moontlik sedert die 1970's verskeie kere van rigting verander.

Waterstofmuur
Die bestaan van 'n waterstofmuur is voorspel; dit is vermoedelik 'n streek van warm waterstof wat tussen die boegskok en heliopouse geleë is. Die muur bestaan uit interstellêre materiaal in 'n wisselwerking met die kant van die heliosfeer. 'n Verslag wat in 2013 uitgereik is, het die idee van 'n booggolf en waterstofmuur bestudeer.

Volgens nog 'n hipotese kan die heliopouse kleiner wees aan die kant van die Sonnestelsel wat na die Son se wentelbeweging deur die Melkweg wys. Dit kan ook wissel na gelang van die stroomsnelheid van die sonwind en die plaaslike digtheid van die interstellêre medium. Dit lê ver anderkant die wentelbaan van Neptunus. Die doel van die Voyagersending is om die grensskok, sonskede en heliopouse te vind en bestudeer.

In Augustus 2018 het studies op lang termyn oor die waterstofmuur deur die ruimtetuig New Horizons die resultate bevestig wat in 1992 die eerste keer deur die twee Voyagers bespeur is. Hoewel die waterstof bespeur word vanweë ekstra ultravioletlig (wat dalk van 'n ander bron af kom) stem die bespeuring deur New Horizons ooreen met die vorige waarnemings deur Voyager teen 'n veel hoër graad van sensitiwiteit.

Boegskok
Daar word al lank voorspel dat die Son 'n "boegskok" skep terwyl dit deur die interstellêre medium beweeg. Dit sal ontstaan as die interstellêre medium teen supersoniese snelhede "na" die Son beweeg, want die sonwind beweeg weg van die Son teen supersoniese snelhede. Wanneer die interstellêre wind die heliosfeer tref, begin dit stadiger beweeg en skep dit 'n streek van onstuimigheid. Daar word geglo 'n boegskok kom dalk voor 230 AE van die Son af. In 2012 is bepaal die boegskok bestaan dalk nie.

Boegskokke is egter al buite die Sonnestelsel waargeneem deur Nasa se nou onaktiewe GALEX-wentelteleskoop. Die rooireus Mira in die sterrebeeld Walvis het beide 'n stert van afwerpsels van die ster af en 'n definitiewe skok in die rigting van sy beweging deur die ruimte.

Waarnemingsmetodes
Die presiese afstand en vorm van die heliopouse is steeds onseker. Interplanetêre/interstellêre ruimtetuie soos Pioneer 10, Pioneer 11 en New Horizons reis na buite die Sonnestelsel en sal eindelik deur die heliopouse beweeg. Kontak met Pioneer 10 en 11 is verloor.

Data van Cassini se Ion and Neutral Camera (MIMI/INCA) dui daarop dat die heliosfeer eerder borrelvormig as komeetvormig kan wees. Eerder as om oorheers te word deur die botsings tussen die sonwind en interstellêre medium, dui die energieke-neutrale-atoom- (ENA-)kaarte daarop dat die wisselwerking beheer word deur deeltjiedruk en die digtheid van magneetveldenergie.

Aanvanklike data van die Interstellar Boundary Explorer (IBEX), wat in Oktober 2008 gelanseer is, het 'n voorheen onvoorspelde baie smal band onthul "wat twee tot drie keer helderder is as enigiets anders in die lug". Aanvanklike vertolkings dui aan "die interstellêre omgewing het 'n veel groter invloed op die struktuur van die heliosfeer as wat enigiemand voorheen geglo  Niemand weet wat die ENA-band (van energieke neutrale atome) skep nie." IBEX-data het ook nie die bestaan van 'n boegskok ondersteun nie, maar volgens een studie kan daar 'n "boeggolf" wees.

Verkenningstydlyn
 1904: Die Potsdam- Groot Refraktor neem die interstellêre medium met 'n spektrograaf waar. Daar word vasgestel die dubbelster Mintaka in die sterrebeeld Jagter het die element kalsium in die ruimte tussenin.
 Januarie 1959: Loena 1 is die eerste ruimtetuig wat die sonwind bespeur.
1962: Mariner 2 bespeur die sonwind.
 1972-1973: Pioneer 10 is die eerste tuig wat die heliosfeer anderkant Mars verken toe dit op 4 Desember 1973 verby Jupiter vlieg. Dit stuur sonwinddata terug van tot 67 AE.
 Februarie 1992: Ná 'n verbyvlug van Jupiter is die Ulysses die eerste ruimtetuig wat die middelste en hoë breedtes van die heliosfeer verken.
 1992: Pioneer en Voyager-tuie bespeur Ly-α-straling wat kort tevore deur heliosferiese waterstof verstrooi is.
 2004: Voyager 1 is die eerste tuig wat die grensskok bereik.
 2005: SOHO-waarnemings van die sonwind wys die vorm van die heliosfeer is nie aksisimmetries nie, maar verwronge, heel waarskynlik onder invloed van die plaaslike galaktiese magneetveld.
 2009: IBEX-wetenskaplikes ontdek en karteer 'n bandvormige gebied wat intense energieke neutrale atome (ENA's) uitstraal. Dié neutrale atome ontstaan vermoedelik in die heliosfeer.
 Oktober 2009: Die heliosfeer is dalk 'n borrel en nie komeetvormig nie.
 Oktober 2010: Aansienlike veranderings word ná ses maande in die ENA-band bespeur, gebaseer op 'n tweede stel IBEX-waarnemings.
 Mei 2012: IBEX-data dui daarop daar is dalk nie 'n "boegskok" nie. 
 Junie 2012: Op 'n afstand van 119 AE, of 17,8 miljard km, bespeur Voyager 1 'n toename in kosmiese strale.
 25 Augustus 2012: Voyager 1 steek die heliopouse verby en word die eerste mensgemaakte voorwerp wat die heliosfeer verlaat.
 Augustus 2018: Langtermynstudies oor die waterstofmuur deur New Horizons bevestig resulte wat die eerste keer in 1992 waargeneem is, deur die twee Voyagers.
 5 November 2018: Voyager 2 steek die heliopouse verby en verlaat ook die heliosfeer.

Verwysings

Nog leesstof

Skakels
 Universe Today this-is-what-the-solar-system-really-looks-like
Voyager Interstellar Mission Objectives
NASA GALEX (Galaxy evolution Explorer) webtuiste by Caltech
A Big Surprise from the Edge of the Solar System (Nasa 06.09.11)

Sonnestelsel