¿Ha entrado la Voyager 1 en un cinturón de radiación solar?

Asumo que la idea es que los rayos cósmicos anómalos de baja energía, no los rayos cósmicos galácticos, son las partículas cargadas del "cinturón de radiación solar"... Según lo que he leído, los rayos cósmicos anómalos eran esperados, y la teoría estándar es que son una población de partículas cargadas en la "heliovaina", pero se observaron mucho más allá de su rango esperado.

De todos modos, si la idea de un cinturón de radiación es razonable puede depender de cómo se defina. Si lo define de la manera más amplia y vaga posible, podría significar cualquier población de partículas cargadas, que ocupan persistentemente el mismo volumen de espacio, y según esa definición amplia, tal vez incluso los modelos estándar anteriores a la Voyager tenían un cinturón de radiación.

Por otro lado, si tomamos específicamente los cinturones de radiación de la Tierra como la definición del concepto, entonces tal vez signifique una población de partículas cargadas que vagan de un lado a otro entre los polos del campo magnético de un objeto celeste. En ese caso, me pregunto si las poblaciones de partículas tan lejos del sol tendrían el tiempo y la estabilidad necesarios para exhibir ese comportamiento específico.

Con suerte, recibirá una respuesta de alguien que realmente sepa sobre la magnetosfera solar de largo alcance, los campos magnéticos interestelares, la población galáctica de rayos cósmicos y otros temas relevantes...

La Voyager 1 se encuentra ahora en esta nueva región desconocida dentro de nuestra heliosfera y no sabemos cuál es esta región.

La interpretación actual de los datos de la Voyager 1 es que ingresó al medio interestelar local (ISM) en algún momento cercano al 25 de agosto de 2012. Por lo tanto, no es una región nueva y desconocida, solo hubo algunas dudas iniciales sobre si la nave espacial realmente cruzó el heliopausa y si habría un helioshock (resulta que no hubo helioshock).

La mayoría de los científicos actualmente creen que el Sol no tiene cinturones de radiación porque el campo magnético, que cambia cada 11 años, no es lo suficientemente estable para sostener un cinturón de radiación solar. Pero las observaciones recientes de los cinturones de radiación exterior de la Tierra muestran que los cinturones se pueden drenar y volver a llenar con partículas en cuestión de semanas, por lo que puede ser el momento de echar un segundo vistazo a la posible existencia de cinturones de radiación estelar.

No estoy seguro de caracterizarlo de esta manera. El término dipolar de la expansión multipolar del campo magnético del sol es bastante pequeño cerca del sol, ya que los otros términos de orden superior dominan localmente, razón por la cual las imágenes SDO durante los tiempos activos están tan ocupadas. La magnitud del campo magnético solar sigue aproximadamente el decaimiento del dipolo con la distancia, es decir,$B \propto r^{-3}$, pero la naturaleza turbulenta del viento solar (junto con otros factores) hace que sea un sistema extremadamente dinámico. Además, la inclinación del eje del dipolo del sol es bastante grande en comparación con el eje de rotación, lo que significa que el campo en la Tierra cambia de signo aproximadamente cada ~27 días debido al cruce de la hoja de corriente heliosférica .

La definición típica de un cinturón de radiación es una región del espacio cerca de un cuerpo magnetizado donde las partículas energéticas quedan atrapadas en regiones específicas que se rigen por las invariantes adiabáticas del movimiento de partículas cargadas en un campo dipolar magnético (áspero) . Es decir, para mantener una región de partículas energéticas atrapadas, se necesita mantener una geometría de campo magnético constante para múltiples órbitas de deriva de las partículas alrededor del cuerpo magnetizado.

Pero, ¿por qué el posible cinturón de radiación solar está tan lejos del Sol? El cinturón de radiación solar exterior de la Tierra está comprimido por el viento solar, por lo que un cinturón de radiación solar puede experimentar un efecto opuesto y ser arrastrado lejos del Sol, el viento interestelar desconocido podría empujarlo en el otro lado contra el sol.

Incluso si pudiéramos "apagar" el viento solar, la ubicación del cinturón de radiación interior no cambiaría drásticamente. El cinturón exterior sería estable para radios más grandes, pero nuevamente no cambiaría dramáticamente.

Las lecturas que obtuvimos cuando la Voyager 1 ingresó a la nueva región pueden explicarse porque la Voyager 1 abandonó la plasmasfera solar de alta densidad y entró en el cinturón de radiación exterior solar energético de baja densidad.

Hasta donde yo sé, la densidad numérica aumentó drásticamente al cruzar la heliopausa (por ejemplo, consulte el siguiente artículo https://science.sciencemag.org/content/341/6153/1489 ), no disminuyó. El sistema de choque-vaina-pausa está "al revés" del de la magnetosfera de la Tierra en el sentido de que el choque de terminación forma el límite interno, seguido de una heliovaina de menor densidad , luego limitada por la heliopausa. Es decir, las densidades de la heliovaina son ~0,001--0,003 cm ^-3 mientras que las que están más allá de la heliopausa son ~0,06--0,08 cm ^-3 , o un aumento por un factor de ~80 aproximadamente.

Lo que sucede con los iones del viento solar en el umbral de esta nueva región parece no estar claro, ¿se están desacelerando y acumulando, o se aceleran fuera de allí?

La mayoría de los iones térmicos a granel que inciden en el choque de terminación se desaceleran y se calientan. Hay algunos que son energizados/acelerados por el choque de terminación y una fracción aún más pequeña se vuelve lo suficientemente energética como para contribuir a los rayos cósmicos anómalos (ACR)(otras fuentes incluyen iones de captación y/o iones preenergizados del viento solar). La idea básica es que los ACR se aceleran localmente dentro de la heliosfera, mientras que los rayos cósmicos galácticos (GCR) provienen del exterior de la heliosfera. Esta es la razón por la cual la intensidad de ACR disminuyó mientras que la intensidad de GCR aumentó en la heliopausa. Los GCR generalmente tienen energías mucho más grandes que los ACR y que la heliopausa es un límite gradual (es decir, no es realmente una discontinuidad aguda) conduce a la mejora en la intensidad de GCR ~ 100 días antes de cruzar la heliopausa (Tenga en cuenta que la heliopausa no es una estática límite en relación con el sol, se puede mover mucho).

Sabemos que Júpiter tiene cinturones de radiación mucho más fuertes y energéticos, por lo que el tamaño amplifica los cinturones de radiación y crea partículas de velocidad de rayos cósmicos. Entonces podríamos esperar que las velocidades de los rayos cósmicos sean normales en los cinturones de radiación solar que se encuentran en una enorme heliosfera magnética.

Los cinturones de radiación jovianos son más intensos que los de la Tierra porque el campo magnético joviano es mucho más fuerte que el de la Tierra, por lo que puede atrapar partículas más energéticas. El campo magnético cerca de la heliopausa es mucho más débil que el de la Tierra.

Esto también brinda posibles soluciones a otros problemas de rayos cósmicos, como por qué los rayos cósmicos disminuyen durante el máximo solar, por qué los rayos cósmicos pueden venir en forma de lluvias y variar temporalmente en el tipo de partículas.

La intensidad cósmica cae durante el máximo solar debido a un efecto bien conocido llamado disminución de Forbush . Además, esto sólo afecta al extremo inferior de energía del espectro de rayos cósmicos, es decir, por debajo de 10s a 100s de GeV. Las partículas más energéticas no se preocupan por la causa principal de las disminuciones, es decir, las eyecciones de masa coronal porque simplemente "atraviesan" estos obstáculos magnéticos debido a sus radios de giro más grandes .

Actualmente no sabemos qué crea los rayos cósmicos, las supernovas son una propuesta, pero no hay suficientes supernovas en el universo para contar todos los rayos cósmicos, por lo que se necesita una fuente adicional. Los rayos cósmicos de los cinturones de radiación de las estrellas podrían ser una fuente de este tipo. Si tenemos un cinturón de radiación exterior solar que es una fuente de rayos cósmicos, las partículas CR también podrían girar a lo largo de las líneas de flujo del campo magnético solar y bombardear el Sol, con una intensidad CR mucho más alta que la experimentada en la Tierra en su zona tranquila protegida por el campo magnético.

Tenga en cuenta que en todos los cinturones de radiación en el sistema solar para los que tenemos observaciones, la energización no es causada por los cinturones mismos. Es decir, las partículas son energizadas por múltiples procesos (p. ej., consulte la discusión en https://physics.stackexchange.com/a/142922/59023 ) y los cinturones solo indican las regiones donde estas partículas energéticas están atrapadas.

La Voyager 1 observó un aumento en el campo magnético al entrar en la nueva región. El cinturón de radiación exterior de la Tierra es también el hogar de la corriente del anillo de la Tierra que induce un campo magnético. Entonces, el cinturón de radiación solar en sí mismo podría albergar una corriente de anillo solar que induce un campo magnético que puede explicar el aumento observado en el campo magnético.

La corriente del anillo terrestre tiende a generar un campo magnético opuesto al dipolo de la Tierra, por lo que las tormentas geomagnéticas se indican con un campo Dst negativo, es decir, básicamente mide la desviación de la aproximación del dipolo inclinado del campo de la Tierra, que se vuelve negativo durante las tormentas. debido a un anillo mejorado de iones con energías en los 10s a algunos 100s keV. Por lo tanto, el campo no aumenta realmente durante las tormentas, se comprime inicialmente por alguna perturbación externa (p. ej., choque de CME), pero la respuesta de la magnetosfera suele ser una sobrecompensación.

Las fluctuaciones observadas del límite de la región podrían ser causadas por el viento solar irregular que causa la expansión y compresión del cinturón de radiación solar, similar a cómo el viento solar hace que fluctúe el cinturón de radiación de la Tierra. Las fluctuaciones también podrían ser causadas por variaciones en el campo magnético solar a medida que el Sol gira.

Sí, el límite oscila debido a los cambios en el viento solar y el flujo ISM. En el momento en que el campo magnético solar ha alcanzado el choque de terminación, está tan "enrollado" que en el plano de la eclíptica es básicamente ortogonal al vector normal de la unidad de choque de terminación. Los únicos cambios significativos son causados ​​por CME que golpean el límite y el efecto de estos se puede detectar de forma remota.

El número de rayos cósmicos que golpean la Tierra es inversamente proporcional al número de manchas solares. Una explicación a esto podría ser que un campo magnético solar variable durante el máximo solar no puede sostener o confinar un gran cinturón de radiación exterior estable que puede producir rayos cósmicos que golpean la Tierra. También es posible que las tormentas solares agoten el cinturón de partículas de radiación solar como las tormentas solares agotan los cinturones de partículas de radiación exterior de la Tierra.

Esta es solo la disminución de Forbush mencionada anteriormente.

El equipo de la Voyager afirma que la Voyager 1 no ha salido de la heliosfera, la región observada tiene entonces otra explicación. Un cinturón de radiación solar puede ser una solución y también puede explicar cómo la mayoría de los rayos cósmicos pueden generarse en cinturones de radiación estelar. Es una propuesta que hasta ahora parece encajar bien con las observaciones y podría darnos algunas respuestas excelentes. Cualquier ayuda en el proceso de evaluación o comentario es muy apreciada. Si el Sol y la Tierra tienen más en común de lo que pensamos, esta comprensión puede llevarnos a comprender mejor cómo funciona esta gran maquinaria.

El consenso general ha cambiado a favor de que la Voyager 1 esté en el ISM. Aparte, un trabajo reciente sobre la Voyager 2 sugiere que abandonó la heliosfera en noviembre de 2018. Hay algunos artículos de Nature sobre el cruce de la heliopausa en los trabajos del equipo de la Voyager a partir de julio de 2019.

Resumen
No, no creo que la evidencia respalde ningún cinturón de radiación solar ni creo que esto sea físicamente posible dados los requisitos para atrapar poblaciones coherentes de electrones e iones energéticos.