Bukti Baru Luar Angkasa Dipenuhi Hidrogen

Hanya dua pesawat ruang angkasa Voyager yang pernah ada di sana, dan butuh lebih dari 30 tahun perjalanan supersonik. Itu terletak jauh melewati orbit Pluto, melalui sabuk Kuiper yang berbatu, dan sejauh empat kali jarak itu. Alam ini, yang hanya ditandai oleh batas magnet tak terlihat, adalah tempat berakhirnya ruang yang didominasi Matahari: jangkauan terdekat ruang antarbintang.

Di negeri tak bertuan bintang ini, partikel dan cahaya yang dilepaskan oleh 100 miliar bintang galaksi kita berdesak-desakan dengan sisa-sisa ledakan dahsyat kuno. Campuran ini, bahan di antara bintang-bintang, dikenal sebagai medium antarbintang. Isinya merekam masa lalu jauh tata surya kita dan mungkin meramalkan petunjuk masa depannya. 

Pengukuran dari pesawat ruang angkasa New Horizons NASA merevisi perkiraan kami tentang salah satu properti utama medium antarbintang: seberapa tebal itu. Temuan yang diterbitkan hari ini  di Astrophysical Journal berbagi pengamatan baru bahwa media antarbintang lokal mengandung atom hidrogen sekitar 40% lebih banyak daripada beberapa penelitian sebelumnya yang disarankan. Hasilnya menyatukan sejumlah pengukuran yang berbeda dan memberi petunjuk baru tentang lingkungan kita di luar angkasa.

Bekerja keras menembus kabut antarbintang

Sama seperti Bumi bergerak mengelilingi Matahari, maka seluruh tata surya kita meluncur cepat melalui Bima Sakti, dengan kecepatan melebihi  50.000 mil per jam . Saat kita menjelajahi kabut partikel antarbintang, kita dilindungi oleh gelembung magnet di sekitar Matahari yang dikenal sebagai heliosfer. Banyak gas antarbintang mengalir di sekitar gelembung ini, tetapi tidak semuanya.

Heliosfer kita mengusir partikel bermuatan, yang dipandu oleh medan magnet. Tetapi lebih dari setengah gas antarbintang lokal bersifat netral, artinya mereka memiliki jumlah proton dan elektron yang seimbang. Saat kita membajak ke dalamnya, netral antarbintang merembes masuk, menambah curah angin matahari.

"Ini seperti Anda berlari melalui kabut tebal, mengambil air," kata Eric Christian, fisikawan luar angkasa di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, MD. "Saat Anda berlari, pakaian Anda menjadi basah dan memperlambat Anda." 

Segera setelah atom antarbintang itu melayang ke heliosfer kita, mereka tersengat sinar matahari dan terhempas oleh partikel angin matahari. Banyak yang kehilangan elektronnya dalam kekacauan itu, menjadi "ion pickup" yang bermuatan positif. Populasi partikel baru ini, meskipun berubah, membawa serta rahasia kabut di baliknya.

"Kami tidak memiliki pengamatan langsung terhadap atom antarbintang dari New Horizons, tetapi kami dapat mengamati ion pickup ini," kata Pawel Swaczyna, peneliti postdoctoral di Princeton University dan penulis utama studi tersebut. "Mereka dilucuti dari sebuah elektron, tapi kita tahu mereka datang kepada kita sebagai atom netral dari luar heliosfer."

Pesawat ruang angkasa New Horizons NASA, diluncurkan pada Januari 2006, adalah yang paling cocok untuk mengukurnya. Sekarang lima tahun setelah pertemuannya dengan Pluto, di mana ia menangkap gambar pertama dari dekat planet kerdil, hari ini ia menjelajah melalui sabuk Kuiper di tepi tata surya kita di mana ion pikap adalah yang paling segar. Pesawat ruang angkasa Solar Wind Around Pluto, atau instrumen SWAP, dapat mendeteksi ion pickup ini, membedakannya dari angin matahari normal dengan energinya yang jauh lebih tinggi. 

Jumlah ion penjemputan yang dideteksi oleh New Horizons menunjukkan ketebalan kabut yang kita lewati. Sama seperti pelari yang semakin basah saat berlari melalui kabut yang lebih tebal, semakin banyak ion pickup yang diamati oleh New Horizons, semakin padat kabut antarbintang di luar. 

Pengukuran divergen

Swaczyna menggunakan pengukuran SWAP untuk mendapatkan kerapatan hidrogen netral pada guncangan terminasi, di mana angin matahari menabrak medium antarbintang dan tiba-tiba melambat. Setelah berbulan-bulan pemeriksaan dan pengujian yang cermat, jumlah yang mereka temukan adalah 0,127 partikel per sentimeter kubik, atau sekitar 120 atom hidrogen dalam ruang seukuran satu liter susu. 

Hasil ini mengkonfirmasi  sebuah studi tahun 2001  yang menggunakan Voyager 2 - sekitar 4 miliar mil jauhnya - untuk mengukur seberapa banyak angin matahari telah melambat saat tiba di pesawat ruang angkasa. Perlambatan, sebagian besar disebabkan oleh partikel medium antarbintang, menunjukkan kepadatan hidrogen antarbintang yang cocok, sekitar 120 atom hidrogen dalam ruang berukuran liter.

Tetapi studi yang lebih baru menemukan angka yang berbeda. Para ilmuwan menggunakan data dari misi Ulysses NASA, dari jarak yang sedikit lebih dekat ke Matahari daripada Jupiter, mengukur ion pickup dan memperkirakan kepadatan sekitar 85 atom hidrogen dalam satu liter ruang. Beberapa tahun kemudian, sebuah studi berbeda yang menggabungkan data Ulysses dan Voyager menemukan hasil yang serupa.

"Anda tahu, jika Anda menemukan sesuatu yang berbeda dari pekerjaan sebelumnya, kecenderungan alami adalah mulai mencari kesalahan Anda," kata Swaczyna.

Tetapi setelah sedikit menggali, nomor baru itu mulai terlihat seperti nomor yang benar. Pengukuran New Horizons lebih cocok dengan pengamatan berdasarkan bintang yang  jauh . Pengukuran Ulysses, di sisi lain, memiliki kekurangan: mereka dibuat lebih dekat ke Matahari, di mana ion pickup lebih jarang dan pengukuran lebih tidak pasti.

"Pengamatan ion pickup heliosfer bagian dalam melewati milyaran mil penyaringan," kata Christian. “Berada di luar sana, di mana New Horizons berada, membuat perbedaan besar.”

Sedangkan untuk hasil gabungan Ulysses / Voyager, Swaczyna melihat bahwa salah satu angka dalam penghitungan sudah usang, 35% lebih rendah dari nilai konsensus saat ini. Menghitung ulang dengan nilai yang diterima saat ini memberi mereka perkiraan kecocokan dengan pengukuran New Horizons dan studi tahun 2001.

“Konfirmasi hasil lama kami yang hampir terlupakan ini mengejutkan,” kata Arik Posner, penulis studi 2001 di Markas NASA di Washington, DC “Kami pikir metodologi kami yang agak sederhana untuk mengukur perlambatan angin matahari telah diatasi oleh studi yang lebih canggih yang dilakukan sejak itu, tetapi tidak demikian. "

Sebuah lahan baru

Beralih dari 85 atom dalam satu liter susu menjadi 120 mungkin tidak terlihat banyak. Namun dalam sains berbasis model seperti heliofisika, perubahan pada satu angka memengaruhi satu sama lain. 

Perkiraan baru dapat membantu menjelaskan salah satu misteri terbesar dalam heliofisika dalam beberapa tahun terakhir. Tidak lama setelah misi Interstellar Boundary Explorer atau IBEX NASA mengembalikan kumpulan data lengkap pertamanya, para ilmuwan melihat garis aneh partikel energik yang datang dari tepi depan heliosfer kita. Mereka menyebutnya "pita IBEX". 

"Pita IBEX adalah kejutan besar - struktur di tepi tata surya kita selebar satu miliar mil, panjang 10 miliar mil, yang tidak diketahui siapa pun," kata Christian. “Tapi meski kami mengembangkan model untuk alasan mengapa model itu ada di sana, semua model menunjukkan bahwa itu tidak boleh secerah aslinya.”

“Kepadatan antarbintang 40% lebih tinggi yang diamati dalam penelitian ini sangatlah penting,” kata David McComas, profesor ilmu astrofisika di Universitas Princeton, peneliti utama untuk misi IBEX NASA dan salah satu penulis studi tersebut. "Hal ini tidak hanya menunjukkan bahwa Matahari kita tertanam di bagian ruang antarbintang yang jauh lebih padat, hal ini juga dapat menjelaskan kesalahan yang signifikan dalam hasil simulasi kami dibandingkan dengan pengamatan aktual dari IBEX."

Namun, yang terpenting, hasilnya memberikan gambaran yang lebih baik tentang lingkungan bintang lokal kami.

"Ini pertama kalinya kami memiliki instrumen yang mengamati ion pickup sejauh ini, dan gambar kami tentang medium antarbintang lokal cocok dengan hasil pengamatan astronomi lainnya," kata Swaczyna. “Itu pertanda baik.”