Cassini's Big Sky / O Grande Céu da Cassini

O Grande Céu da Cassini: A visão do centro do nosso Sistema Solar.

A sonda-nave da NASA Cassini está ajudando a refazer nossa compreensão da forma do sistema solar, à medida que se move pela galáxia local, a Via Láctea.

Modelos anteriores ilustravam nosso sistema solar com a aparência de um cometa. O novo modelo o torna mais parecido com uma bolha Os cientistas da Cassini criaram uma imagem dessa região exótica do espaço detectando partículas conhecidas como átomos energéticos neutros.

Ele complementa dados coletados pelo Explorador Fronteiriço Interestelar. Quando a nave Cassini da NASA's começou a orbitar Saturno há cinco anos, levava uma dúzia de instrumentos científicos altamente calibrados, ajustados para trabalhar em pesquisa, farejamento, análise e escrutínio do sistema de Saturno.

Mas a Cassini recentemente revelou novos dados que pareciam suverter a velha crença de que nosso sistema solar parecia um cometa movendo-se através do meio interestelar (a matéria entre as estrelas em nosso canto da galáxia Via Láctea).

Em vez disso, os novos resultados sugerem que a nossa heliosfera é mais parecida com uma bolha - ou um rato sendo comido por uma jibóia: como o sistema solar passa através da barriga da serpente, as costelas, que imitam o campo magnético interestelar local, expandem-se e contraem-se à medida que o rato passa.

"No começo eu estava cético", disse Tom Krimigis, investigador principal do Instrumento de Imageamento Magnetosférico (MIMI) do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, em Laurel, Maryland, EUA.

"A primeira coisa que pensei foi: 'O que há de errado com os nossos dados?", disse. Krimigis e seus colegas publicaram os resultados da Cassini em 13 de novembro na revista Science, que apresentou resultados complementares do NASA Interstellar Boundary Explorer (IBEX).

Juntos, os resultados criaram o primeiro mapa da heliosfera e sua espessa camada exterior conhecida como heliosfera, onde o vento solar fluindo para fora do sol se aquece e é retardado quando interage com o meio interestelar.

Os dados da Cassini também fornecem uma indicação mais exata da espessura da heliosfera, quando antes os cientistas tinham de basear-se em cálculos a partir de modelos. Os novos resultados da Cassini mostram que a heliosfera tem cerca de 40 a 50 unidades astronômicas (3,7 a 4,7 bilhão milhas) de espessura, e que as naves espaciais gêmeas Voyager, que estão viajando pelo heliosfera agora, irão cruzar o espaço interestelar mesmo bem antes do ano 2020.

Estimativas mais tardias, como 2030, haviam sido feitas. "Estes novos dados da Cassini realmente irão redefinir o nosso sentido de "lar" na galáxia, e podemos agora fazer estudos melhores para apurar se o nosso sistema solar se assemelha a outros", disse Krimigis. As Voyager enviaram de volta dados valiosos sobre a heliosfera, mas apenas em dois locais.

Mas os cientistas querem mais contexto. Uma maneira de aprender sobre a região é rastrear a faixa de átomos neutros energéticos fluindo de volta para o sol da heliosfera. Átomos energéticos nêutros forma quando gás frio, neutro colide com as partículas eletricamente carregadas em uma nuvem de plasma, que é um gás - com o estado da matéria tão quente que os átomos dividem-se em um íon e um elétron.

Os íons carregados positivamente no plasma não podem recuperar seus elétrons, que se movem muito rápido, mas podem roubar um elétron dos átomos de gás frio. Uma vez que as partículas resultantes têm carga neutra, eles são capazes de escapar de campos magnéticos e fugir para o espaço.

A emissão dessas partículas ocorre muitas vezes em campos magnéticos em torno dos planetas, mas também acontece quando o vento solar se mistura com o meio interestelar. Como a Cassini, com 22.000 ligações de fios e 14 km (8,7 milhas) de cabeamento especificamente melhorados para tirar o máximo proveito do seu estudo sobre a segunda maior bolha de gás do sistema solar, acabar ajudando a redefinir o modo como olhamos para o nosso sistema solar inteiro ? Krimigis Cassini e seus colegas trabalhando com o MIMI não tinham certeza de que seu instrumento poderia captar emissões longínquas, de locais exóticos, como a partir do limite da nossa heliosfera, a região de influência do nosso sol.

No ano passado, depois de passar quatro anos concentrados no elétrons energéticos e íons capturados no campo magnético que envolve Saturno, bem como os descendentes destas partículas conhecidas como átomos neutros energéticos, a equipe começou a vasculhar os dados combinados dos instrumentos da Câmera Neutra e de Íons, peocurando pelas partículas que chegam de longe, para além de Saturno. "Nós pensamos que poderíamos obter alguns átomos neutros energéticos da heliosfera porque a Cassini estava realmente em uma excelente posição para detectar estas partículas", disse Don Mitchell, cientista do MIMI e pesquisador do Laboratório de Física Aplicada.

A Cassini esteve mais longe do Sol do que naves espaciais anteriores, tentando obter imagens da heliosfera e até mesmo oscilaram para muito longe de Saturno em algumas das suas órbitas, disse Mitchell.

Os dados estariam provavelmente muito mais livres de grande parte das interferências que dificultam os esforços de outros. Mitchell, Krimigis e sua equipe foram capazes de juntar os dados entre o final de 2003 para o verão de 2009. Eles criaram um mapa colorido da intensidade dos átomos neutros energéticos e descobriram um cinturão de partículas quentes, de alta pressão, onde o vento interestelar fluiu por nossa bolha helioesférica.

Os dados combinaram bem com as imagens da IBEX de partículas de baixa energia e ligaram o conjunto de dados relacionados com os dados da Voyager de partículas de mais alta energia. "Eu estava inicialmente cético porque o instrumento foi concebido para a magnetosfera de Saturno", disse Mitchell, "Mas a nossa câmera tinha obtido longas exposições, de meses a anos, de forma que nós pudemos acumular e mapear cada partícula que fluiu através da estreita abertura, de lugares mais longínquos da heliosfera. Foi sorte, mas também muito trabalho duro.

Cassini's Big Sky: The View from the Center of Our Solar System.

NASA's Cassini spacecraft is helping to rewrite our understanding of the shape of our solar system as it moves through the local Milky Way galaxy.

Previous models pictured our solar system as having a comet-like appearance. The new results suggest a picture more like a bubble.

Cassini scientists created an image from this exotic region of space by detecting particles known as energetic neutral atoms.

It complements data collected by NASA's Interstellar Boundary Explorer.

When NASA's Cassini spacecraft began orbiting Saturn five years ago, a dozen highly-tuned science instruments set to work surveying, sniffing, analyzing and scrutinizing the Saturnian system. But Cassini recently revealed new data that appeared to overturn the decades-old belief that our solar system resembled a comet in shape as it moves through the interstellar medium (the matter between stars in our corner of the Milky Way galaxy).

Instead, the new results suggest our heliosphere more closely resembles a bubble - or a rat - being eaten by a boa constrictor: as the solar system passes through the "belly" of the snake, the ribs, which mimic the local interstellar magnetic field, expand and contract as the rat passes.

"At first I was incredulous," said Tom Krimigis, principal investigator of the Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) at Johns Hopkins University's Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, US. "The first thing I thought was, 'What's wrong with our data?'"

Krimigis and his colleagues on the instrument team published the Cassini findings in the Nov. 13 issue of the journal Science, which featured complementary results from NASA's Interstellar Boundary Explorer (IBEX). Together, the results create the first map of the heliosphere and its thick outer layer known as the heliosheath, where solar wind streaming out from the sun gets heated and slowed as it interacts with the interstellar medium. The Cassini data also provide a much more direct indication of the thickness of the heliosheath, whereas scientists previously had to rely on calculations from models.

The new results from Cassini show that the heliosheath is about 40 to 50 astronomical units (3.7 billion to 4.7 billion miles) thick and that NASA's twin Voyager spacecraft, which are traveling through the heliosheath now, will cross into true interstellar space well before the year 2020. Estimates as far out as 2030 had been suggested.

"These new data from Cassini really redefine our sense of our home in the galaxy, and we can now do better studies of whether our solar system resembles those elsewhere," Krimigis said. The Voyagers have sent back rich data on the heliosphere and heliosheath, but just at two locations. Scientists want more context. One way to learn about the region is to track energetic neutral atoms streaming back toward the sun from the heliosheath.

Energetic neutral atoms form when cold, neutral gas collides with electrically-charged particles in a cloud of plasma, which is a gas-like state of matter so hot that the atoms split into an ion and an electron. The positively-charged ions in plasma can't reclaim their own electrons, which are moving too fast, but they can steal an electron from the cold gas atoms. Since the resulting particles are neutrally charged, they are able to escape magnetic fields and zoom off into space.

The emission of these particles often occurs in the magnetic fields surrounding planets, but also happens when the solar wind mingles with the interstellar medium. How did Cassini, with 22,000 wire connections and 14 kilometers (8.7 miles) of cabling specifically tweaked to get the most out of its investigation of the solar system's second largest gas bag, recently end up helping to redefine how we look at our entire solar system?

Krimigis and his Cassini colleagues working with MIMI weren't sure their instrument could pick up emissions from far-out, exotic locations, such as from the boundary of our heliosphere, the region of our sun's influence. Last year, after spending four years focused on the energetic electrons and ions trapped in the magnetic field that surrounds Saturn, as well as the offspring of these particles known as energetic neutral atoms, the team started combing through the data from the instrument's Ion and Neutral Camera, looking for particles arriving from far beyond Saturn.

"We thought we could get some hits from energetic neutral atoms from the heliosheath because Cassini has really been in an excellent position to detect these particles," said Don Mitchell, MIMI instrument scientist and a researcher at the Applied Physics Laboratory. Cassini was farther away from the sun than previous spacecraft trying to image the heliosphere and even swung very far away from Saturn on some of its orbits, Mitchell said. The data would likely be free of much of the interference that hampered other efforts.

Mitchell, Krimigis and their team were able to stitch together data from late 2003 to the summer of 2009. They created a color-coded map of the intensity of the energetic neutral atoms and discovered a belt of hot, high-pressure particles where the interstellar wind flowed by our heliosheath bubble. The data matched up nicely with the IBEX images of lower-energy particles and connected that data set to the Voyager data on higher-energy particles.

"I was initially skeptical because the instrument was designed for Saturn's magnetosphere," Mitchell said, "But our camera had long exposures of months to years, so we could accumulate and map each particle that streamed through the tiny aperture from the far reaches of the heliosphere. It was luck, but also a lot of hard work."