Una breve historia de la mala aplicación de la magnetohidrodinámica al análisis del viento solar:

1959: el satélite soviético Luna 1 observó directamente el viento solar por primera vez y midió su fuerza.
http://en.wikipedia.org/wiki/Luna_1

Así que a partir de 1959, por observación experimental directa, se sabía que la heliopausa era al menos el radio de la tierra o R⊙.

Modelo de Pneuman y Kopp 1971: De acuerdo con un modelo MHD [MagnetoHydroDynamics] más complejo pero aún simplificado de la estructura coronal (ISP p. 114-117 etc., el modelo de Pneuman y Kopp 1971), las líneas de campo magnético dipolar forman bucles cerrados si se originan en latitudes solares inferiores a unos 45° (por encima o por debajo del ecuador solar). Sin embargo, las que surgen a más de 45° son líneas de campo abiertas que pueden curvarse alrededor de la región cerrada hasta cierto punto, pero eventualmente se extienden mucho en el espacio en todas las direcciones, al menos más allá de una distancia heliocéntrica de aproximadamente 2 R⊙.

http://www.mcgoodwin.net/pages/spacephysics_ess471.pdf (página 36)

Este es el único documento que he podido encontrar que lee aproximadamente sobre la cuestión de la magnetopausia. Este es un artículo muy citado y es lo suficientemente temprano como para influir en las expectativas en los lanzamientos de la Voyager (1977). Así que creo que el artículo de Pneuman y Kopp dio la expectativa de que el heliopaue sería de alrededor de 2 R⊙ según los cálculos de MHD. Dado que esto fue un gran error, no he podido encontrar ningún detalle mejor.

El hombre que desarrolló MHD fue Hannes Alfvén. Obtuvo el premio Nobel de física de 1970 por esto. Su conferencia del premio Nobel estuvo parcialmente dedicada a la tarea de afirmar que se estaba abusando de su teoría. En particular, señaló que la situación de la física espacial estaba fuera de control. De su conferencia, he puesto en cursiva las partes que tienen que ver con las predicciones de la física espacial:

Física del plasma, investigación espacial y el origen del sistema solar
[Conferencia del Premio Nobel, 1970, por Hannes Alfvén]

... La física del plasma cósmico de hoy es mucho menos avanzada que la física de investigación termonuclear. Es hasta cierto punto el patio de recreo de los teóricos que nunca han visto un plasma en un laboratorio. Muchos de ellos todavía creen en fórmulas que sabemos por experimentos de laboratorio que son incorrectas. La correspondencia astrofísica con la crisis termonuclear aún no ha llegado. La razón de esto es que varios de los conceptos básicos en los que se basan las teorías, no son aplicables a la condición que prevalece en el cosmos.. Son "generalmente aceptadas" por la mayoría de los teóricos, están desarrolladas con los métodos matemáticos más sofisticados y es sólo el propio plasma el que no "comprende" lo hermosas que son las teorías y se niega rotundamente a obedecerlas. Ahora es obvio que tenemos que iniciar un segundo enfoque desde puntos de partida muy diferentes.

Si pregunta dónde va la frontera entre el primer acercamiento y el segundo acercamiento hoy, una respuesta aproximada es que está dada por el alcance de las naves espaciales. Esto significa que en cada región donde es posible explorar el estado del plasma mediante magnetómetros, sondas de campo eléctrico y analizadores de partículas, encontramos que a pesar de toda su elegancia, las teorías de primer acercamiento tienen muy poco que ver con la realidad . Parece que el cambio del primer enfoque al segundo enfoque es la correspondencia astrofísica con la crisis termonuclear. ...

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1970/alfven-lecture.pdf

La lección anterior incluye una tabla con una comparación detallada entre el "primer enfoque" y el "segundo enfoque".

Conclusión:

El problema al estimar la heliopausa se debió principalmente a que los teóricos sobreestimaron su comprensión de las limitaciones de MHD. En particular, las ecuaciones MHD fallan cuando las corrientes eléctricas son lo suficientemente fuertes como para superar el campo magnético. Esto rompe la suposición de MHD de que los iones y los electrones permanecen anclados a las líneas del campo magnético.

Hubo un tramo considerable cuando obtener respuestas dentro de un orden de magnitud fue bastante bueno en temas como la estructura estelar y la cosmología. Las cosas mejoraron---primero lentamente pero luego bastante marcadamente---así que ahora estamos en la era de la "cosmología de precisión" (una pérdida en términos de bromas sobre poner la barra de error en los exponentes, por desgracia). Pero los temas individuales podrían haber languidecido si no atrajeran mucha atención.

Al leer un libro sobre la misión Voyager de la NASA, aprendí que antes del lanzamiento de estas naves espaciales, la expectativa era que la heliopausa estuviera alrededor de la órbita de Júpiter o Saturno, que es de aproximadamente 5 a 10 AU. El libro dice que a medida que la nave espacial continuaba alejándose del sol, los físicos espaciales seguían aumentando su estimación de la posición de la heliopausa.

¿A qué libro sobre la Voyager estabas haciendo referencia?

En cualquier caso, comenzaron a desarrollar la nave espacial Voyager en la década de 1960. La primera medición de que existió un viento solar no se informó hasta 1960-1961 [K. Gringauz usando la nave espacial Lunik 2 ]. Pudieron determinar un flujo de partículas (es decir, el número por área por tiempo), pero no determinaron la velocidad ni la densidad numérica.

La hipótesis de Biermann sobre la existencia del viento solar fue entre 1951-1957, por lo tanto, no mucho antes. Aunque se aproximó bastante a la velocidad del viento solar con$\sim$500-1000 km/s, que ahora se consideraría viento solar rápido.

Mariner 2 fue la primera nave espacial en demostrar que el sol emitía viento solar continuamente (observaciones y artículos entre 1962 y 1967). Este es también el período en el que comenzaron a obtener estimaciones semi-confiables de la velocidad del flujo a granel, la densidad numérica, la temperatura (es decir, la energía cinética promedio en el marco de reposo del flujo a granel), etc. del viento solar.

Una vez encontrados estos parámetros, y suponiendo que la presión dinámica$\propto$ $r^{-2}$(suponga V$\sim$expansión constante y adiabática , entonces n$\propto$ $r^{-2}$), la heliopausa se puede estimar utilizando la presión dinámica a 1 AU ,$P_{1AU}$, combinado con estimaciones de la presión interestelar ,$P_{I}$, para aproximar una distancia de separación,$R_{S}$.

Si usamos los siguientes valores típicos$n \sim \ 5 \ cm^{-3}$y$V \sim 400 \ km/s$, y$P_{I} \sim 10^{-13} \ Pa$, después$R_{S} \sim 100 \ AU$. Por lo tanto , no se requiere MHD . Uno puede simplemente usar la hidrodinámica para obtener una estimación aproximada. Es probable que las primeras estimaciones de$P_{I}$eran mucho más altos o$P_{1AU}$Mucho más bajo. Esto explicaría por qué las primeras estimaciones de$R_{S}$puede haber sido muy inexacta.

Esa es una gran subestimación de la producción del sol o una gran sobreestimación de lo que sucede en el espacio interestelar.

Recuerde, la gente ni siquiera se sentía cómoda con la existencia de un viento solar hasta la década de 1950. Paul Kellogg predijo la existencia del arco de choque de la Tierra en 1962 , lo que fue controvertido en ese momento debido a las tasas de colisión extremadamente bajas de los plasmas tenues y las incertidumbres sobre las velocidades relevantes para usar para los números de Mach.

El libro no explica por qué las primeras estimaciones estaban equivocadas y no vi una explicación. Quizás alguien sepa y dé una buena explicación intuitiva para las estimaciones.

Fue muy recientemente que tuvimos alguna medida de la atmósfera del sol (técnicamente, todo dentro de la heliosfera se considera dentro de la atmósfera del sol). En el momento en que Voyager comenzó a ser discutido y diseñado, toda esta información tenía menos de una década. No fue hasta la década de 1950 que tuvimos una estimación definitiva de la edad del sol y del sistema solar [p. ej., Burbidge et al. , 1957]. Entonces, la razón más probable de las estimaciones "pobres" se debió a información/medidas insuficientes.

Referencias

• Biermann, L. "Kometenschweife und solare Korpuskularstrahlung," Zeitschrift f$\ddot{u}$r Astrophysik 29 , págs. 274, 1951.
• Burbidge, EM, et al. "Síntesis de los Elementos en las Estrellas", Rev. Mod. física 29 (4), págs. 547, 1957.
• Gringauz, KI, et al. "Resultados de observaciones de partículas cargadas observadas hasta R = 100 000 km, con la ayuda de trampas de partículas cargadas en cohetes espaciales soviéticos", Astronomicheskii Zhurnal 37 , págs. 716, 1960.
• Kellogg, PJ "Flujo de plasma alrededor de la Tierra", J. Geophys. Res. 67 , págs. 3805, 1962.
• Lang, KR The Sun From Space , Biblioteca de astronomía y astrofísica (Springer, Verlag Berlin, Alemania), 2000.
• Neugebauer, M. y CW Snyder "Experimento de plasma solar", Science 138 , págs. 1095-1097, 1962.