Interstellar gass i solsystemets nærhet

1. Interstellar gassisolsystemetsnærhet av Tom Reidar Henriksen

2. Innhold • Tidligere TAF-foredrag om interstellare gass-tåker: • Gass- og støvtåker: fødestuer for stjerner og planeter (T.Bjerkgård - feb 2005) • Lysekko (A.Ødegaard - jan 2005) • Deep sky: objekter og observasjoner (T.Bjerkgård - feb 2004) • Dette foredraget fokuserer på interstellar gass i vårt stellare nabolag • Det interstellare medium • Kartleggingen av gass i vårt stellare nabolag • Heliosfæren: det vi vet og kanskje trodde vi visste om den • IBEX: Romsonden som forbløffet astronomene • Kan interstellar gass utenfor solsystemet faktisk påvirke Jorda?

3. Av gass er du kommet...

4. ...til gass skal du bli!

5. Og av gass skal du igjen oppstå

6. Det interstellare medium

7. Goulds belte • I 1879 identifiserte Benjamin Gould et bånd over himmelen som inneholder de aller fleste av de mest lyssterke stjernene • Ringen består av lyssterke, unge OB-stjerner samt molekylære gasståker der stjerner fødes • Ringen er ca. 3000 lysår i diameter og heller 16-18 grader i forhold til det galaktiske plan • Sola ligger ca. 350 lysår fra sentrum av ringen • Ringen antas å være 30-50 millioner år gammel og av hittil ukjent opprinnelse (flere teorier er framsatt)

9. Sco-Cen association

11. Miocen-pliocen supernovaer • Den nærmeste av disse fødestuene er kalt Scorpius-Centaurus association, en samling massive OB-stjerner og molekylær interstellare gass-skyer • Antares er del av denne gruppen som nå er ca. 450 lysår unna • For 5 millioner år siden var denne gruppen bare ca. 130 lysår unna • Siden 10-12 mill år siden har ca. 20 supernovaer gått av i Sco-Cen assosiasjonen. Nesten som popcorn! • For 2 mill år siden var det massedød av plankton, mollusker og andre UV-sensitive arter (markerer overgang til pleistocen) • Dyphavssedimenter fra pliocen er pepret med 60Fe, en isotop produsert av supernovaeksplosjoner • 4-5 stjerner er på vei ut av Melkeveien fra dette området • 6 av disse, fra nedre Centaurus-gruppen, har blåst vekk det meste av gass og etterlot et stort hulrom i vår interstellare nabolag, kalt den lokale boblen

12. Stjerner i den lokale boblen • I dette tomrommet finnes ingen O-stjerner (>20 Msol) og bare få B-stjerner (3-20 Msol) . Resten har smelt av, og det finnes ikke gass igjen til å føde nye. • I og nær den lokale boblen finner vi også en del grupper av stjerner som har oppstått samtidig fra samme molekylære sky • Hyadene (625 mill år) • Beta Pictoris Moving Group (10-15 mill) • AB Doradus Moving Group (50 mill år) • Ursa Major Moving Group (500 mill år) • Tucana-Horologium Association (30 mill år) • Sirius supercluster (b Aur, a CrB, b Crt, b Eri, b Ser)

14. Mulig supernovarest

15. Henize 70 i den store Magellanske sky

16. Kartlegging av interstellar gass • 1970-årene: • Man begynner å lete etter interstellar gass nær jorda vha. optiske- og radioteleskop. Men man finner ingenting! • Først i avstand av ca. 150 lysår finner man tette ”vegger” av interstellar gass • Solsystemet må være inni en enorm gassløs boble, kalt den ”lokale boblen” (eng. ”local bubble”). Den er irregulær og måler ca. 3-400 lysår tvers over. • Man fant også andre slike bobler med radioteleskop, kalt Loop I-IV (Haslam et.al.71) • Loop I, den nærmeste, ligger i Sco-Cen assosiasjonen og omslutter bl.a. Antares

17. Kartlegging.. (forts) • Slutten av 70-årene: • Kunne den lokale boblen inneholde ”dotter” av tettere materiale? • Solar backscattering • H-ioner fra solvinden treffer nøytral gass utenfor solsystemet. • Protonet kolliderer, rapper et elektron og fortsetter i en tilfeldig retning. Noen treffer jorda og kan fanges opp og studeres. • Solar backscattering viste en gass-sky av tetthet 0,1 atomer/cm3 (dobbelt av den lokale boblen), temperatur ca. 10.000 K og med hastighet 20 km/s mot oss (doppler) • Videre studier av data fra Copernicus-satelitten viser en utstrekning på ca. 30 lysår. Denne skyen blir kalt ”the local fluff”.

18. Kartlegging.. (forts) • 1980-årene: • I nedre del av røntgen/øvre del av UV-området finner man stråling på en million Kelvin i alle retninger • Ergo: Den lokale boblen må være fylt med tynn, ionisert hydrogengass som holder koronal temperatur • Den lokale boblen viser seg også å være timeglassformet med en innsnevring i det galaktiske plan. • Data fra Copernicus viser en mye tettere gass-sky i retning av Skorpionen, i avstand 55-110 lysår. Man antar at the local fluff er et av ”forstedene” til denne skyen, og at solsystemet er inne i local fluff på vei mot disse tettere områdene!

19. Kartlegging.. (forts) • 1990-årene: • The local fluff viser seg å være høyst irregulær med dotter av ulike tettheter overalt. En av disse ble funnet mellom solsystemet og alpha Centauri. • Man ønsker nå å kartlegge nøytral gass i solsystemets nærhet. • Men man kan ikke observere nøytralt hydrogen med radioteleskop fordi tettheten er 10 ganger lavere enn det som er detekterbart. • Heldigvis: der kaldt, tett, nøytralt hydrogen finnes, finner man også kaldt nøytralt natrium. • Barry Welsh et.al. 94 begynner å undersøke absorbsjonslinjer for 293 stjerner innenfor 250 pc og tegner et galaktisk kart over fordeling av nøytral Na-gass

21. Et rør...

22. Nøytralt Natrium Astronomen Barry Welsh og hans gruppe fortsetter arbeidet med kartlegging av nøytralt natrium, og kan i 2003 legge fram et svært detaljert kart av gasstettheten innenfor 500 parsec.

23. En galaktisk svamp? • Den rådende boble-modellen fra 70- og 80-årene får dødsstøtet! • Galakseskiven er tydelig perforert slik at den lokale boblen istedet bør kalles den lokale skorsteinen!  • De antatt isolerte boblene viser seg å ha tunneller som kobler dem sammen. Hele greia ligner mer på en enorm svamp! • Dette bekreftet en teori fra 70-tallet (Cox & Smith 74): • Supernovaer skaper ekspanderende skall av het gass. • Skallene kolliderer med kald gass som komprimeres til ”øyer”. Det dannes tunneller som knytter sammen de hete boblene. • Het supernova-gass ventileres ut i haloen (galaktisk fontene), kjøles ned der og returnerer til skiven igjen (galaktisk regn). M.a.o. har vi her et gigantisk galaktisk ventilasjonsanlegg! 

24. CHIPS (2003) CHIPS står for Cosmic Hot Interstellar Plasma Spectrometer Sendt opp i januar 2003 for å kartlegge stråling i ekstremUV-båndet, dvs. stråling fra gass som holder ca. 1 million K CHIPS fant egentlig ikke ut noe nytt, men bekreftet kantene til den lokale boblen vha. direkte målinger.

25. Resultat fra CHIPS • CHIPS’ datapunkter: her klassifisert til lav, middels og høy gasstetthet (hhv. åpen, krysset og fylt sirkel) • Ved å trekke en linje gjennom de fylte sirklene avtegner det seg en grense

26. Tilbake til ”dottene” innenfor den lokale boblen. The local fluff blir kartlagt av bl.a. Priscilla C. Frisch og hennes gruppe i Chicago, og får publisert følgende illustrasjoner som APOD i 2002. The local fluff

27. The local fluff (forts) The local fluff er sannsynligvis grenselandet mellom den lokale boblen og Loop I boblen. Den ekspanderende Loop I boblen dytter fluffen i retning av solsystemet i en hastighet av 20 km/s. Fluffen er irregulær og består av mange små ”dotter” av høyere tetthet. Solsystemet vil oppleve økende tetthet av interstellar gass i millenniene som kommer. Priscilla Frisch (en autoritet innenfor området) estimerte i 2002 at vi ville nå de tettere deler i løpet av 50.000 år Local fluff Loop I

28. Delvis ionisert gass Februar 2010 Barry Welsh et. al. fortsetter å kartlegge gass i vårt interstellare nabolag. Denne gangen bruker de Kalsium K-linja på 393,3 nm som indikator på delvis ionisert gass (f.eks. fluffen) Spektre til 1857 stjerner danner utgangspunkt for dette kartet. Lyse områder er tynn gass Mørke områder er tett gass Orange områder er uten pålitelige målinger Grønne triangler er stjernene man siktet mot Skalaen er i parsec

29. Delvis ionisert gass Februar 2010 Barry Welsh et. al. fortsetter å kartlegge gass i vårt interstellare nabolag. Denne gangen bruker de Kalsium K-linja på 393,3 nm som indikator på delvis ionisert gass (f.eks. fluffen) Spektre til 1857 stjerner danner utgangspunkt for dette kartet. Lyse områder er tynn gass Mørke områder er tett gass Orange områder er uten pålitelige målinger Grønne triangler er stjernene man siktet mot Skalaen er i parsec Fluffen?

30. Heliosfæren

31. Heliosfæren Terminologi • SjokkfrontSolvinden blir subsonisk • BuesjokkInterstellar vind blir subsonisk • HeliopauseSolvind og interstellar vind utligner hverandre

32. Voyager-sondene • Voyager I og II ble skutt opp i 1977, opprinnelig for å utforske de ytre planetene Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun • De ble imidlertid utstyrt med fem instrumenter som nå gir oss verdifulle måledata om solvindens styrke og retning samt av magnetfelter og deres retning • Voyager 1 passerte sjokkfronten i 2004, 94 AU fra sola. Voyager 2 passerte den i 2007, 84 AU fra sola.

33. Voyager-sondene (forts) • Voyager I er nå knappe 117 AU fra sola mens Voyager II’s avstand er 95 AU. Begge vil være operative minst til ca. 2020! • I juni 2010 begynte Voyager I å måle at solvinden bare gikk sideveis • Heliopausen er dermed blitt lokalisert! • I juni 2010 var Voyager I ca. 17 milliarder km fra sola (ca. 113 AU) • I 2009 oppdaget man en uforklarlig sterk økning i magnetfeltet som sondene målte. • Magnetfeltet stammer ikke fra sola, og opphavet er et mysterium som antageligvis nå har funnet sin løsning gjennom målinger fra IBEX

34. http://www.youtube.com/watch?v=td7raTyQD1U

35. IBEX • Interstellar Boundary Explorer - skutt opp 19. oktober 2008 • Første romsonde skutt opp med en Pegasus bærerakett • Slippes fra fly, tenner og sender lasten opp i bane • ”Fotograferer” intensitet og doppler av solar backscattering (ENA) i alle himmelretninger • Bruker 6 måneder på å avfotografere hele himmelen, starter deretter på en ny runde • Vi får dermed se endringer med 6 mnd oppløsning i tidsskalaen • IBEX sine måledata har hittil snudd 40 års forskning fullstendig på hodet!

36. ENA – det IBEX kan ”se” http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?media_id=17289425

37. Dette er hva IBEX ”ser”

38. Dette er hva IBEX ”ser”

39. Dette er hva IBEX ”ser” Hva i all verden er dette? (Nose = solas apex)

40. ”Det” er stadig i endring.. http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?media_id=18773645

41. Cassinis ione- og nøytrale kamera kan observere ENA-partikler med høyere energi Cassini ”ser” også

42. ”Knuten” løses opp http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?media_id=18750415

43. Må begynne på blanke ark • Ingen eksisterende modeller kunne forklare hva IBEX ser (pr. 2008) • Omfattende forskning settes i gang for å forklare og lage modeller for det observerte fenomenet • Umiddelbart etter oppdagelsen ble det framsatt 6 hypoteser om hva som skjer der ute • Tidligere har man trodd at solvinden stort sett dominerte utformingen av heliosfæren og dens magnetfelt. IBEX viser at interstellare vinder og magnetfelt har mye større betydning enn tidligere antatt, og at disse er mye mer dynamiske enn man skulle tro

44. Galaktisk magnetfelt? • Januar 2010: En modell av et magnetfelt utenfor solsystemet får brikkene til å falle på plass [Heerikhuisen et.al.] • Hvor kommer dette feltet fra da? Kanskje fra local fluff?

45. Fluffen skulle jo ikke eksistert! • Vår lokale interstellare sky opplever trykk fra alle kanter • Den skulle ha gått i oppløsning for lenge siden • Den økningen i magnetfeltet som Voyager målte, og som den forrige magnetfelt-hypotesen om IBEX-dataene forutsier, gjør at dette kan være snakk om fluffen sin magnetfelt? • Dette magnetfeltet er mye sterkere enn antatt, 4-5 mikrogauss • Jorda sitt er 0,5 Gauss = 500.000 mikrogauss • 4-5 mG virker lite, men man trodde ikke det var noe i det hele tatt • Kanskje magnetfeltet er det som holder fluffen samlet? • I så fall er det kanskje vanlig at interstellare gass-skyer har slike magnetfelt? Hvordan vekselvirker de? • Mye forskning ligger foran oss her...

46. Fjerne ENA-partikler? • Mai 2010: • ENA’er antas å komme fra et sted langt utenfor heliopausen. Kanskje ca. 1000 AU unna • Hypotese: de kommer fra grensen mellom local fluff og den lokale boblen [Grzedzielski et.al.]

47. Hvis dette er riktig... • Solsystemet er inne i local fluff nå, en gass-sky som holder ”behagelige” 6000 varmegrader • Vi har beveget oss gjennom denne lokale interstellare skyen fra et sted mellom 44.000 og 150.000 år siden (wikipedia) • Men kanskje så tidlig som i neste århundre kommer vi tilbake inn i den lokale boblen igjen! • Varm, tynn og brennheit koronal plasma på 1 million grader vil igjen omgi hele solsystemet • Hva vil dette bety for Jorda?

48. Heliosfæren påvirkes http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?media_id=18774233

49. Økning i kosmisk stråling Faktiske konsekvenser • Satellitter må i større grad beskyttes • Farligere for astronauter i verdensrommet • Kosmisk stråling bryter ned ozon-laget • Økt UV-stråling øker kreftfaren, ødelegger DNA Spekulasjoner om mulige andre konsekvenser • Kan det være solsystemets passasje gjennom local fluff som har gjort det mulig for mennesket å utvikle seg? • Hvis Henrik Svensmark har rett ang. koblingen kosmisk stråling->klima så vil dette kunne utløse en kaldere klimatisk periode, kanskje en ny istid?

50. Takk for meg!