Unsichtbarer Teilchennebel: Unser Sonnensystem ist von einem diffusen Nebel aus Wasserstoff umgeben – aber seine Dichte war umstritten. Jetzt liefern Daten vom Raumschiff New Horizons der NASA die Antwort. Das lokale interstellare Medium enthält daher 40 Prozent mehr neutralen Wasserstoff als erwartet. Dies könnte einige Diskrepanzen zwischen Beobachtungen und theoretischen Modellen erklären.
Obwohl unser Sonnensystem mit zehntausenden Stundenkilometern durch das interstellare Medium der Milchstraße pflügt, bemerken wir es kaum. Weil das Magnetfeld der Sonne uns wie eine Schutzblase umgibt, die alle hochenergetischen geladenen Teilchen fernhält. Nur die beiden Voyager Raumschiff habe bisher den äußeren Rand davon Heliosphäre erreicht. Ihre Daten liefern die ersten Informationen darüber, wie das interstellare Medium in unserer Nachbarschaft aussieht.
Vom neutralen Wasserstoff bis zu „Aufnahmeionen“
Es gibt aber auch eine andere Möglichkeit, Informationen über die Zusammensetzung unserer interstellaren Nachbarschaft zu erhalten. Das Magnetfeld der Sonne lenkt die geladenen Teilchen ab, lässt aber neutrale Wasserstoffatome durch – und diese machen mehr als die Hälfte des interstellaren Mediums aus. Astrophysiker können so unsere seltsame „Außenwelt“ aus der Menge der Wasserstoffatome ableiten, die in die Heliosphäre fliegen.
Es gibt jedoch einen Haken: Die von außen einströmenden Wasserstoffatome bleiben nicht lange elektrisch neutral, sondern werden vom Sonnenwind und Sonnenlicht relativ schnell ionisiert. Dennoch bleiben sie nachweisbar: „Sie haben ein Elektron verloren, aber wir wissen, dass sie als neutrale Atome zu uns gekommen sind“, erklärt Pawel Swaczyna von der Princeton University. „Wir können diese ‚Aufnahmeionen‘ spezifisch beobachten.“
Erste Messung am äußeren Rand des Sonnensystems
Das Problem ist jedoch, dass die Voyager-Sonden nicht über die richtigen Messgeräte an Bord verfügen. Aus diesem Grund wurden diese Aufzeichnungsionen bisher nur vom Ulysses-Raumschiff auf der Höhe der Jupiter-Umlaufbahn gemessen. Bisher kann jedoch nur ein kleiner Teil dieser Wasserstoffpartikel vom äußeren Rand der Heliosphäre nachgewiesen werden. „Die Pickup-Ionen der inneren Heliosphäre wurden bereits milliarden Kilometer gefiltert“, erklärt Eric Christian, Co-Autor der Studie vom Goddard Space Flight Center der NASA.
Aber jetzt liefert sie Raumschiff New Horizons der NASA Zum ersten Mal Messdaten aus dem äußeren Bereich unseres Sonnensystems – dem Kuipergürtel. Dort, jenseits von Pluto, verwendete die Sonde ihr SWAP-Instrument, das eigentlich für den Sonnenwind gedacht war, um auch die Dichte der energetischeren Aufnahmeionen in dieser Region zu messen. Basierend auf diesen Messdaten haben Swaczyna und sein Team nun bestimmt, wie viel neutraler Wasserstoff im interstellaren Medium „vor unserer Tür“ vorhanden sein muss.
40 Prozent näher als erwartet
Das Ergebnis: Die Dichte von neutralem Wasserstoff an der äußeren Grenze der Heliosphäre beträgt 0,127 Atome pro Kubikzentimeter. „Das sind rund 40 Prozent mehr als bisher angenommen“, berichten die Forscher. Ihre Dichtewerte entsprechen etwa 120 Atomen in einem Liter. Basierend auf Ulysses ‚Messungen haben Wissenschaftler bisher eine Dichte angenommen, die nur etwa 85 Wasserstoffatomen pro Liter entspricht.
Die neuen Ergebnisse werden jedoch durch Daten des Raumfahrzeugs Voyager 2 aus dem Jahr 2001 gestützt. Zu dieser Zeit verwendeten die Forscher eine andere Methode, um die Menge der in die Heliosphäre eintretenden interstellaren Partikel zu bestimmen. Sie überprüften, um wie viel der „Gegenwind“ dieses Wasserstoffeinstroms den Sonnenwind verlangsamt – und kamen jetzt mit seiner direkten Messung zu ähnlichen Dichtewerten wie New Horizons.
„Diese Bestätigung unseres alten, fast vergessenen Ergebnisses war eine echte Überraschung“, sagt Arik Posner von der NASA.
„IBEX-Ribbon“ -Puzzle gelöst
Die korrigierte Dichte des interstellaren Mediums gibt nicht nur ein besseres Bild davon, wie unsere kosmische Umgebung aussieht, sondern beseitigt auch Diskrepanzen zwischen theoretischen Modellen und Beobachtungen. „Die Erhöhung der Dichte um 40 Prozent ist absolut kritisch“, erklärt David McComas von der Princeton University. „Weil es nicht nur zeigt, dass unsere Sonne in einen dichteren Teil des interstellaren Raums eingebettet ist, erklärt es auch wichtige Fehler in unseren Simulationen.“
Ein Beispiel hierfür ist die IBEX-Mission. Dieser NASA-Satellit kartierte erstmals 2009 die hochenergetischen Partikel im Grenzbereich unseres Sonnensystems – und entdeckte etwas Überraschendes: einen markanten Streifen mit sehr hoher Dichte. „Diese Struktur ist Milliarden von Meilen breit und zehn Milliarden Meilen lang – und niemand wusste, dass es sie gibt“, erklärt Christian.
Zu diesem Zeitpunkt konnte keines der Modelle dieses Phänomen erklären – da sie auf den alten Dichtewerten basierten. Aber jetzt können Astrophysiker zum ersten Mal Modelle und astronomische Beobachtungen in Einklang bringen. (The Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847 / 1538-4357 / abb80a)
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