De heliosheath is een van de meest dynamische en chaotische regio's van ons zonnestelsel, een tussengebied waar de supersone zonnewind wordt afgeremd en getransformeerd voordat ze het interstellaire medium bereikt. Deze uitgestrekte schil, gelegen in de buitenste gebieden van de heliosfeer op afstanden ver voorbij de banen van alle planeten, vormt een turbulente overgangszone tussen twee fundamenteel verschillende domeinen van de ruimte.
Wat is de heliosheath?
De heliosheath is het gebied tussen de terminatieschok en de heliopauze, de twee buitenste grenzen van de heliosfeer. Om deze regio te begrijpen, moeten we eerst het karakter van de zonnewind begrijpen. De zon blaast voortdurend een supersone stroom van geladen deeltjes naar buiten, voornamelijk protonen en elektronen, die zich met snelheden van 400 tot 800 kilometer per seconde door het zonnestelsel bewegen. Deze zonnewind is supersonisch in de zin dat ze sneller reist dan de snelheid waarmee drukgolven zich door het plasma kunnen voortplanten.Wanneer deze supersone stroom op ongeveer 80 tot 100 astronomische eenheden van de zon botst op de toenemende druk van het interstellaire medium, ontstaat er een schokgolf die bekend staat als de terminatieschok. Dit is vergelijkbaar met de schokgolf die ontstaat voor een supersonisch vliegtuig, of met de boogschok die zich vormt voor een boot die door water vaart. Bij deze schok wordt de zonnewind plotseling en dramatisch afgeremd van supersone tot subsone snelheden, een proces dat gepaard gaat met intense opwarming en compressie van het plasma.
De heliosheath is precies het gebied dat ontstaat ná deze schok. Hier stroomt de nu subsonische zonnewind verder naar buiten, maar haar karakter is fundamenteel veranderd. De snelheid is gedaald van honderden kilometers per seconde tot enkele tientallen kilometers per seconde. De temperatuur is gestegen van ongeveer 100.000 kelvin in de normale zonnewind tot meerdere miljoenen kelvin in de heliosheath. De dichtheid van deeltjes is toegenomen, en het magnetisch veld is gecomprimeerd en versterkt.In plaats van radiaal naar buiten te stromen, zoals in het binnenste zonnestelsel, wordt de zonnewind in de heliosheath geleidelijk afgebogen en stroomt ze in de richting van de heliostaart, het langgerekte achterste deel van de heliosfeer. Deze afbuiging wordt veroorzaakt door de druk van het interstellaire medium aan de heliopauze, die als een ondoordringbare muur fungeert en het materiaal dwingt om langs de zijkanten van de heliosfeer te stromen.
Structuur
De heliosheath heeft een dikte die varieert afhankelijk van de locatie binnen de heliosfeer. Aan de voorkant, in de richting waarin het zonnestelsel door het interstellaire medium beweegt, is de heliosheath relatief dun, met een dikte van ongeveer 30 tot 40 astronomische eenheden. Voyager 1, die de terminatieschok kruiste in december 2004 op 94 astronomische eenheden en de heliopauze bereikte in augustus 2012 op 121 astronomische eenheden, doorkruiste deze regio in ongeveer acht jaar. Voyager 2 volgde een enigszins ander pad door de heliosheath aan een andere kant van de heliosfeer. Deze sonde kruiste de terminatieschok in augustus 2007 op 84 astronomische eenheden en bereikte de heliopauze in november 2018 op 119 astronomische eenheden. De licht verschillende afstanden en tijdsduren die beide Voyagers nodig hadden om de heliosheath te doorkruisen, onthulden dat deze regio asymmetrisch is en varieert in dikte en eigenschappen afhankelijk van de richting.
Een van de meest opvallende kenmerken van de heliosheath is de extreme turbulentie. Het magnetisch veld dat door de Voyagers werd gemeten in deze regio vertoonde wilde fluctuaties in sterkte en richting, met structuren die variëren van grootschalige verwikkelingen tot kleinschalige verstoringen. Deze turbulentie ontstaat uit meerdere bronnen: de initiële compressie bij de terminatieschok, instabiliteiten in het stromende plasma, en de interactie met deeltjes en velden uit het nabije interstellaire medium die door de heliopauze kunnen lekken. De heliosheath is ook een gebied van intense magnetische herverbinding, een proces waarbij magnetische veldlijnen breken en opnieuw verbinden, waarbij enorme hoeveelheden magnetische energie worden omgezet in kinetische energie van deeltjes. Dit proces kan leiden tot explosieve versnelling van deeltjes en draagt bij aan de verhoogde niveaus van energetische deeltjes die in de heliosheath worden waargenomen. Het plasma in de heliosheath bestaat niet alleen uit zonnewindmateriaal. Neutrale atomen uit het interstellaire medium kunnen door de heliopauze dringen en in de heliosheath worden geïoniseerd door ultraviolette straling van de zon of door botsingen met andere deeltjes. Eenmaal geïoniseerd, worden deze "opgepikte ionen" opgepakt door het magnetisch veld en stromen ze mee met de zonnewind. Deze populatie van opgepikte ionen heeft andere eigenschappen dan de oorspronkelijke zonnewindionen en draagt bij aan de complexiteit van het plasma in de heliosheath.
Hoe werd de heliosheath ontdekt?
Het theoretische concept van een heliosheath ontstond in de jaren zeventig en tachtig, toen wetenschappers begonnen te begrijpen dat de zonnewind een schok zou ondergaan voordat ze het interstellaire medium bereikte. Vroege modellen voorspelden het bestaan van een terminatieschok en een overgangsregio daarachter, maar de details bleven speculatief totdat directe metingen mogelijk werden. De eerste indicaties dat een ruimtevaartuig de heliosheath naderde, kwamen van Voyager 1 in het begin van de jaren 2000. Wetenschappers observeerden een gestage toename in de intensiteit van energetische deeltjes, die werden geïnterpreteerd als deeltjes die waren versneld bij de terminatieschok en terugkeerden naar de sonde. Deze "voorbodes" suggereerden dat de terminatieschok niet ver meer was. Het definitieve moment kwam op 16 december 2004, toen Voyager 1 de terminatieschok kruiste en de heliosheath binnenging. Dit werd gemarkeerd door dramatische veranderingen in de gemeten parameters: de intensiteit van lage-energie zonnewinddeeltjes daalde plotseling, terwijl hoogenergetische deeltjes sterk toenamen. Het magnetisch veld versterkte zich aanzienlijk, consistent met compressie bij een schok. De temperatuur van het plasma, afgeleid uit de energieën van de deeltjes, steeg met meer dan een factor tien.
Deze waarnemingen bevestigden niet alleen het bestaan van de terminatieschok, maar onthulden ook dat de heliosheath een veel complexer gebied was dan verwacht. In plaats van een rustige overgangszone was het een regio vol turbulentie en dynamische processen. Het magnetisch veld vertoonde variaties op alle gemeten tijdschalen, van minuten tot dagen tot maanden. Voyager 2's kruising van de terminatieschok in augustus 2007 voegde een nieuwe dimensie toe aan ons begrip. Deze sonde had nog steeds een functionerend plasma-instrument, iets wat Voyager 1 had verloren jaren voor haar terminatieschok-kruising. Voor het eerst konden wetenschappers directe metingen doen van de snelheid en temperatuur van het plasma in de heliosheath. Deze metingen bevestigden dat de zonnewind inderdaad was vertraagd van supersone tot subsone snelheden en dat de temperatuur dramatisch was gestegen. Een van de meest verrassende ontdekkingen kwam enkele weken na Voyager 2's terminatieschok-kruising, toen de sonde kortstondig terugkeerde naar het gebied vóór de schok. Dit toonde aan dat de terminatieschok niet statisch is maar kan bewegen als reactie op variaties in de zonnewinddruk. Het was direct bewijs dat de grenzen van de heliosfeer dynamisch zijn en voortdurend veranderen.
Fysische processen
De heliosheath is een rijk laboratorium voor plasmafysica. Een van de meest fundamentele processen is de schokverwarming bij de terminatieschok zelf. Wanneer het supersone plasma wordt gedwongen abrupt te vertragen, kan de kinetische energie niet eenvoudigweg verdwijnen. In plaats daarvan wordt deze omgezet in willekeurige thermische beweging van de deeltjes, wat resulteert in een dramatische temperatuurstijging. Dit is geen geleidelijk proces maar een abrupte overgang over een afstand van slechts enkele iongyrostralen, typisch enkele honderden kilometers. Naast thermische verwarming versnelt de terminatieschok ook een kleine fractie van deeltjes tot zeer hoge energieën. Dit proces, bekend als diffusieve schokversnelling of Fermi-versnelling van eerste orde, treedt op wanneer deeltjes herhaaldelijk de schok kruisen, heen en weer stuiterend tussen magnetische structuren aan beide zijden. Bij elke kruising winnen ze een beetje energie, en over vele cycli kunnen sommige deeltjes energieën bereiken die honderd tot duizend keer hoger zijn dan de typische thermische energieën.
Deze versnelde deeltjes dragen bij aan wat bekend staat als anomale kosmische straling, een populatie van deeltjes die oorspronkelijk als neutrale atomen uit het interstellaire medium kwamen, in de heliosheath werden geïoniseerd, en vervolgens werden versneld bij de terminatieschok. Deze anomale kosmische straling heeft een karakteristieke samenstelling, verrijkt in elementen zoals helium, stikstof, zuurstof en neon, die abundant zijn in het interstellaire medium. De turbulentie in de heliosheath heeft belangrijke gevolgen voor hoe deeltjes zich door deze regio bewegen. In plaats van in rechte lijnen te reizen, volgen energetische deeltjes een chaotisch pad, herhaaldelijk verstrooiend van magnetische onregelmatigheden. Dit proces, bekend als diffusie, vertraagt de beweging van deeltjes door de heliosheath en kan sommige deeltjes effectief vasthouden in deze regio voor lange perioden.
De heliosheath vertoont ook grootschalige structuren die "magnetische snelwegen" worden genoemd, regio's waar het magnetisch veld relatief geordend is en deeltjes sneller kunnen reizen. Voyager 1 ontdekte deze structuren in 2012, kort voordat de sonde de heliopauze kruiste. In deze magnetische snelwegen kon galactische kosmische straling uit het interstellaire medium gemakkelijker de heliosfeer binnendringen, wat leidde tot een dramatische toename in de gemeten intensiteit. De drukbalans in de heliosheath is complex en omvat meerdere componenten. Naast de thermische druk van het hete plasma is er de magnetische druk, die kan domineren in regio's waar het magnetisch veld sterk is. Er is ook de dynamische druk van het stromende plasma, hoewel deze aanzienlijk is verminderd na de terminatieschok. De som van deze drukken moet in evenwicht zijn met de druk van het interstellaire medium aan de heliopauze.
