De heliosfeer is een van de meest fascinerende en grootschalige structuren in ons zonnestelsel, hoewel ze onzichtbaar blijft voor het blote oog. Deze kolossale magnetische bubbel, opgeblazen door de zonnewind, vormt een beschermend schild rond ons zonnestelsel en scheidt de ruimte die door onze zon wordt gedomineerd van het interstellaire medium.
Wat is de heliosfeer?
De heliosfeer is het uitgestrekte gebied in de ruimte waar de zonnewind en het magnetisch veld van de zon dominant zijn. Ze kan het beste worden omschreven als een enorme bubbel van geladen deeltjes en magnetische velden die door de zon wordt gecreëerd en zich uitstrekt ver voorbij de banen van de planeten. Deze bubbel omhult niet alleen alle planeten van ons zonnestelsel, maar reikt ook miljarden kilometers verder de interstellaire ruimte in. De zonnewind, een supersone stroom van geladen deeltjes (voornamelijk protonen en elektronen) die voortdurend van de zon af stroomt met snelheden van ongeveer 400 tot 800 kilometer per seconde, is de drijvende kracht achter de heliosfeer. Deze deeltjesstroom draagt het magnetisch veld van de zon mee naar buiten, waarbij het een complex patroon vormt dat bekend staat als het interplanetaire magnetische veld. De zonnewind blijft naar buiten stromen totdat ze de druk van het interstellaire medium ontmoet, het dunne gas en stof tussen de sterren.
De grenzen van de heliosfeer
De structuur van de heliosfeer is complex en bestaat uit verschillende opeenvolgende gebieden, elk met unieke eigenschappen. Het binnenste gebied omvat de planeten en strekt zich uit tot ver voorbij Pluto. Hier reist de zonnewind supersonisch naar buiten, met snelheden die hoger zijn dan de snelheid van magnetosonische golven in het plasma. Op een afstand van ongeveer 80 tot 100 astronomische eenheden van de zon (één astronomische eenheid is de afstand tussen de aarde en de zon, ongeveer 150 miljoen kilometer) bereikt de zonnewind de terminatieschok. Dit is de plaats waar de supersone zonnewind plotseling vertraagt tot subsonische snelheden doordat ze stuit op de toenemende druk van het interstellaire medium. Deze schok veroorzaakt een dramatische opwarming en compressie van het plasma, vergelijkbaar met de schokgolf die ontstaat voor een supersonisch vliegtuig.
Voorbij de terminatieschok ligt de heliosheath, een turbulente overgangsregio waar de zonnewind verder vertraagt en afbuigt. Dit gebied is gevuld met geladen deeltjes van zowel zonneoorsprong als interstellaire oorsprong, en het magnetisch veld vormt hier complexe, verwrongen structuren. De heliosheath heeft een dikte van tientallen astronomische eenheden en vormt een soort bufferzone tussen de invloedssfeer van de zon en de interstellaire ruimte. De uiterste grens van de heliosfeer wordt gevormd door de heliopauze, het oppervlak waar de druk van de zonnewind in evenwicht is met de druk van het interstellaire medium. Dit is het punt waar de invloed van de zon eindigt en de echte interstellaire ruimte begint. De heliopauze bevindt zich op verschillende afstanden afhankelijk van de richting: aan de voorkant, waar de zon door de interstellaire ruimte beweegt, ligt ze op ongeveer 120 tot 130 astronomische eenheden, terwijl de achterkant zich veel verder uitstrekt, mogelijk tot 200 astronomische eenheden of meer.
Er wordt ook verondersteld dat er een boogschok bestaat in het interstellaire medium, vóór de heliosfeer, vergelijkbaar met de golf die voor een boot op water ontstaat. Deze zou worden veroorzaakt door de beweging van ons zonnestelsel door het interstellaire medium met een snelheid van ongeveer 26 kilometer per seconde. Recent onderzoek heeft echter gesuggereerd dat de boogschok mogelijk zwakker is dan eerder gedacht, of zelfs een andere configuratie heeft, afhankelijk van de eigenschappen van het lokale interstellaire medium.
Hoe werd de heliosfeer ontdekt?
Het concept van de heliosfeer ontwikkelde zich geleidelijk in de tweede helft van de twintigste eeuw, naarmate ons begrip van de zonnewind en het interstellaire medium groeide. In de jaren vijftig voorspelde de Duitse wetenschapper Ludwig Biermann het bestaan van een continue zonnewind op basis van waarnemingen van komeetstaarten, die altijd van de zon af wijzen. In 1958 publiceerde de Amerikaanse astrofysicus Eugene Parker zijn baanbrekende theoretische werk over de zonnewind, waarin hij beschreef hoe deze supersone snelheden zou bereiken en een uitgestrekt gebied rond de zon zou creëren. De term "heliosfeer" werd voor het eerst gebruikt in de wetenschappelijke literatuur in de jaren zestig, toen wetenschappers begonnen te begrijpen dat de zonnewind een afgebakend domein zou creëren binnen het interstellaire medium. Parker's voorspellingen werden bevestigd door ruimtesondes zoals Mariner 2 in 1962, die directe metingen deed van de zonnewind tijdens haar reis naar Venus.
De werkelijke verkenning van de grenzen van de heliosfeer begon met de lancering van de Voyager 1 en Voyager 2 ruimtesondes in 1977. Deze opmerkelijke missies, oorspronkelijk ontworpen om de buitenste planeten te verkennen, zijn nu de verste door mensen gemaakte objecten in de ruimte. Hun continue reis naar buiten heeft ongekende gegevens opgeleverd over de structuur van de heliosfeer. In december 2004 bereikte Voyager 1 de terminatieschok op een afstand van ongeveer 94 astronomische eenheden van de zon, een moment dat werd gemarkeerd door dramatische veranderingen in de gedetecteerde deeltjesfluxen en magnetische velden. Voyager 2 volgde in augustus 2007 en kruiste de terminatieschok op ongeveer 84 astronomische eenheden, wat bevestigde dat de heliosfeer geen perfecte bol is maar eerder asymmetrisch, met een kortere afstand in de richting van de interstellaire wind.
Het historische moment kwam in augustus 2012, toen Voyager 1 als eerste door mensen gemaakt object de heliopauze kruiste en de interstellaire ruimte binnenging. Dit werd geïdentificeerd door een plotselinge verandering in de samenstelling van kosmische straling: de intensiteit van energetische deeltjes van zonneoorsprong daalde dramatisch, terwijl galactische kosmische straling toenam. Voyager 2 volgde in november 2018 en kruiste de heliopauze op ongeveer 119 astronomische eenheden, wat waardevolle vergelijkende gegevens opleverde over de verschillen tussen de twee kruispunten. Naast de Voyager-missies hebben andere ruimtesondes bijgedragen aan ons begrip van de heliosfeer. De Pioneer 10 en 11 sondes gaven vroege waarnemingen van het buitenste zonnestelsel, en missies zoals IBEX (Interstellar Boundary Explorer), gelanceerd in 2008, hebben de hele heliosfeer in kaart gebracht door neutrale atomen te detecteren die worden gecreëerd in de interactie tussen zonnewind en interstellair medium. De New Horizons missie, die in 2015 langs Pluto vloog, blijft ook gegevens verzamelen terwijl ze naar de buitenste gebieden van de heliosfeer reist.
