Heliosfääri: Auringon tuulen avaruuskupla – määritelmä ja toiminta

Heliosfääri on kupla avaruudessa, jonka aurinkotuuli "puhaltaa" tähtienväliseen väliaineeseen (galaksin täyttävään vety- ja heliumkaasuun). Vaikka tähtienvälisestä tilavuudesta peräisin olevat sähköisesti neutraalit atomit voivat kulkea tämän kuplan läpi, lähes kaikki heliosfäärin aine on peräisin itse Auringosta.

Ensimmäiset kymmenen miljardia kilometriä säteestään aurinkotuuli kulkee yli miljoonan kilometrin tuntinopeudella. Kun se alkaa pudota ulos tähtienvälisestä väliaineesta, se hidastuu ja lopulta pysähtyy kokonaan. Kohta, jossa aurinkotuuli hidastuu, on terminaatioshokki;kohtaa, jossa tähtienvälisen väliaineen ja aurinkotuulen paineet tasapainottuvat, kutsutaan heliopausaksi; kohta, jossa vastakkaiseen suuntaan kulkeva tähtienvälinen väliaine hidastuu törmätessään heliosfääriin, on keulashokki.

Heliosfäärin rakenne ja pääalueet

Heliosfääri jakautuu useisiin selkeisiin alueisiin, jotka kuvaavat aurinkotuulen ja tähtienvälisen väliaineen välistä vuorovaikutusta:

• Korona ja lähiavaruus: Aurinkotuuli lähtee Auringon koronan alueelta. Lähellä Aurinkoa virtaus on nopeaa ja tiheämpää.
• Terminaatioshokki: Aurinkotuulen nopeus hidastuu voimakkaasti törmätessään tähtienvälisen aineen paineeseen.
• Heliosheath: Terminaatioshokin ja heliopausan välinen alue, jossa virtaus on hidastunutta ja turbulenssia esiintyy paljon.
• Heliopausa: Heliopausa on heliosfäärin ulkoreuna, jossa aurinkotuulen ja tähtienvälisen aineen paineet ovat tasapainossa.
• Keulashokki / keulavirtaus: Aiemmin ajateltiin voimakasta keulashokkia, mutta uudemmat havainnot viittaavat ennemminkin heikommin muodostuvaan keulaveteen tai -aalttoon riippuen Aurinkokunnan nopeudesta suhteessa paikalliseen tähtienväliseen aineeseen.
• Heliotail (häntä): Heliopausan takana muodostuu pitkä häntä-alue, jossa tähdistä tuleva aine ja magneettikentät voivat ulottua kauas galaksiin päin.

Magnetismi, aurinkotuuli ja hiukkaset

Heliosfäärin magneettikenttä on peräisin Auringon magneettikentästä, joka kietoutuu avaruuteen niin sanotuksi Parkerin spiraaliksi aurinkokierroksen ja aurinkotuulen vuoksi. Heliosfäärin sisällä kulkee myös heliosfäärinen virtalevy (heliospheric current sheet), joka on magneettikentän pinnan vino ja aaltoileva rakenne.

Lisäksi heliosfäärissä esiintyy eri tyyppisiä hiukkasia:

• aurinkotuulen ionit (plasmapartikkeleita),
• pickup-ionit, joita syntyy kun neutraalit tähtienväliset atomit ionisoituvat ja "nappaavat" aurinkotuulen virran,
• energiset neutraalit atomit (ENA), jotka syntyvät osittain varauksellisten hiukkasten ja neutraalien välisen vaihtovaihtoreaktion seurauksena — näitä havaitsevat mm. IBEX-luotaimen kaltaiset instrumentit.

Mittaustulokset ja avaruusluotaimet

Heliosfäärin rajoja ja rakennetta ovat tutkineet useat luotaimet. Merkittävimpiä ovat NASA:n Voyager 1 ja Voyager 2 -luotaimet, jotka kulkivat heliosfäärin läpi ja toimittivat suoraa tietoa raja-alueista:

• Voyager 1 ylitti terminaatioshokin ja myöhemmin heliopausan; se siirtyi tähtienväliseen tilaan vuonna 2012.
• Voyager 2 ylitti terminaatioshokin ja myöhemmin heliopausan hieman myöhemmin (heliopausan ylitys 2018), mikä antoi arvokasta tietoa siitä, miten nämä rajapinnat vaihtelevat eri suunnissa.
• IBEX (Interstellar Boundary Explorer) kartoittaa heliosfäärin reunoilta tulevia ENA-hiukkasia ja havaitsi mm. niin kutsutun "ribbon"-vyöhykkeen, joka paljastaa magneettikenttien ja hiukkasten monimutkaisia vuorovaikutuksia.
• Muita tärkeitä tehtäviä ovat mm. Parker Solar Probe (hankkii tietoa Auringon läheisyydestä) ja New Horizons (tarjoaa lisähavaintoja ulomman aurinkokunnan olosuhteista).

Heliosfäärin koko ja vaihtelut

Heliosfäärin koko ei ole vakio; se vaihtelee Auringon aktiivisuuden mukaan. Auringon aktiivisuuden huippuina heliosfääri laajenee voimakkaammin, kun taas aktiivisuuden minimissä se kutistuu. Heliopausan etäisyys Auringosta on luokkaa satoja astronomisia yksiköitä (1 AU ≈ Maa–Aurinko etäisyys), ja tarkka sijainti riippuu aurinkotuulen ja paikallisen tähtienvälisen aineen olosuhteista.

Miksi heliosfääri on tärkeä?

• Heliosfääri toimii osittaisena suojana galaktisilta kosmisilta säteiltä; se moduloi kosmisten säteiden virtausta sisäänpäin ja vaikuttaa siten säteilyn tasoon aurinkokunnassa.
• Se vaikuttaa avaruussäähän ja siten teknologiaan ja ihmisiin avaruuslennoilla.
• Heliosfäärin tutkimus auttaa ymmärtämään tähtien välistä vuorovaikutusta ylipäätään ja tarjoaa vertailun muiden tähtien ympärillä oleville "astrosfääreille".

Ajankohtaiset näkökulmat ja avoimet kysymykset

Tutkimuksessa on yhä avoimia kysymyksiä, kuten se, muodostuuko selkeästä keulashokista vai ainoastaan lievemmästä keulavirrasta, miten heliopausan muuttelu riippuu Auringon magneettikentästä ja kuinka kauas heliotail ulottuu. Tulevat ja nykyiset avaruusmittaukset, yhdistettynä numeerisiin malleihin, pyrkivät selvittämään näitä kysymyksiä tarkemmin.

Yhteenvetona: heliosfääri on dynaaminen, Auringosta lähtevä suojakupla, joka muokkaa avaruuden hiukkas- ja magneettikenttäympäristöä lähellä Aurinkokuntaa. Sen ymmärtäminen on tärkeää sekä perusfysiikan että avaruussääennusteiden kannalta.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on heliosfääri?

K: Mistä heliosfääri koostuu?

K: Mistä suurin osa heliosfäärin materiaalista on peräisin?

K: Kuinka nopeasti aurinkotuuli kulkee heliosfäärissä sen säteen ensimmäiset kymmenen miljardia kilometriä?

K: Mikä on terminaatioshokki?

K: Mikä on heliopause?

K: Mikä on keulasokki?

Hae kirjaimella