На границе Солнечной системы «Вояджер-2» столкнулся с аномалиями


«Вояджеры» помогли прояснить структуру гелиосферы Солнечной системы

Альфа Центавра a и b, ближайшие соседние к нам звезды Границы Солнечной системы находятся гораздо дальше последней орбиты планеты или планетоида. Можно сказать, что границами нашей системы являются стенки гелиосферы. Сама гелиосфера — это область околосолнечного пространства, где плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Википедия говорит нам, что снаружи гелиосфера ограничена так называемой бесстолкновительной ударной волной. Она возникает в солнечном ветре из-за его взаимодействия с межзвездной плазмой и межзвездным магнитным полем.

До гелиопаузы — внешних границ гелиосферы Солнца — человек еще не добрался, если иметь в виду пилотируемую экспедицию. Зато до этих пределов дошли два автоматических зонда, которые были запущены много лет назад: это «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Что касается первого зонда, то в 2012 году вышел в пространство, где нет давления солнечного ветра. Тогда приборы устройства пять раз фиксировали скачки количества протонов и ядер ядер гелия с энергией 1,9-2,7 МэВ в окружающем пространстве, при неизменности плотности частиц с другими зарядами. По словам экспертов, это говорит о пятикратном пересечении гелиопаузы. 20 марта почётный профессор астрономии из университета Нью-Мексико Билл Веббер официально сообщил, что «Вояджер-1» всё-таки вышел за пределы Солнечной системы, и случилось это 25 августа 2012 года на расстоянии 121,7 а.е. от Солнца. С тех пор интенсивность излучения 1,9-2,7 МэВ уменьшилась в 300-500 раз.

Сейчас пересекает гелиопаузу «Вояджер-2». Он тоже вскоре покинет Солнечную систему, но приборы аппарата фиксируют несколько иную картину происходящего при уходе в межзвездное космическое пространство. Об этом заявил Эд Стоун, экс-директор Лаборатории реактивного движения НАСА. Свое аявление он сделал на Конференции геофизического союза, которая проходила на прошлой неделе. Так вот, «Вояджер-1», как считают ученые, зафиксировал так называемые галактические космические лучи. А вот «Вояджер-2», пересекая границу Солнечной системы, никаких лучей не обнаружил. В этом случае интенсивность частиц оставалась все время на одном уровне.

Возможно, говорит Стоун, разница обусловлена тем, что сейчас мы находимся в активной фазе солнечного цикла. Солнечный ветер по этой причине довольно мощный, и число космических лучей, пересекающих границу Солнечной системы, не слишком велико. Совсем иная ситуация наблюдалась, когда границу пересекал «Вояджер-1». Тогда активность Солнца была ниже, чем сейчас, и большее число галактических лучей прорывалось через «рубеж». «Благодаря этой информации мы получили больше данных о том, насколько мощными могут быть барьеры нашего пузыря», — говорит Стоун.

Данные, получаемые приборами «Вояджера-2» также указывают на то, что внутри гелиощита солнечный ветер приобретает закрученную форму и отклоняется от общего потока, образуя достаточно длинный хвост, который кому-то может напомнить хвост кометы. Ранее считалось, что именно такой и должна быть ситуация на границе Солнечной системы. Но «Вояджер-1» ни с чем таким не столкнулся. Он зафиксировал снижение скорости ветра при сохранении направления его движения. А вот «Вояджер-2» смог заметить совсем иное.

Сейчас зонд «Вояджер-1», который находится на расстоянии около 137 астрономических единиц от Солнца, движется в сторону созвездия Змееносца. Это созвездие находится на севере от солнечного экватора. Что касается «Вояджера-2», то этот аппарат находится от нас на расстоянии примерно 113 астрономических единиц. Он движется в другую сторону — в сторону созвездия Павлина, находящегося на юге. Вероятно, в межзвёздном пространстве аппарат окажется уже в ближайшие годы.

По мнению Стоуна, информация, передаваемая «Вояджерами», помогает понять, как взаимодействуют звезды с околозвездным космическим пространством. Раньше специалисты могли только строить прогнозы и делать предположения. Сейчас же в руках специалистов оказались надежные данные, полученные двумя зондами «Вояджер».

Как уже говорилось выше, эти аппараты проработали уже много лет, и еще около двадцати лет они будут продолжать функционировать. Правда, у систем осталось совсем мало плутония-238, энергия распада которого и используется зондами. Уже через пару десятков лет зонды замолчат навсегда. Сейчас ученые понемногу отключают некоторые модули аппаратов, поскольку для работы всех модулей зондов уже не хватит генерируемой РИТЭГ энергии.

Пока что движение «Вояджеров» продолжается, данные регулярно поступают на Землю и ученые тщательно их анализируют. Кстати, именно анализ сигналов устройства позволил более детально изучить Уран и спутники этой планеты-гиганта. Дело в том, что мимо этой планеты 30 лет назад пролетал «Вояджер-2», который смог собрать информацию об этой планете и ее спутниках. Благодаря именно этим данным астрономам из Университета Айдахо удалось выяснить, что у планеты может еще быть два небольших спутника, которые вполне могут располагаться в двух кольцах Урана, что усложняет выявление этих планетоидов.

Названа настоящая форма гелиосферы: забудьте, чему вас учили в школе

Каждая планета Солнечной системы, включая Землю, заключена в «пузыри» солнечного ветра, который звезда извергает на сверхзвуковых скоростях. Частицы, составляющие этот ветер, формируют невидимое магнитное поле, которое защищает нас от остального межзвездного пространства. В течение десятилетий астрономы анализировали эту систему излучения и магнетизма, известную как гелиосфера, картируя ее границы, чтобы выяснить, как она выглядит.

Новая модель, полученная в результате сотрудничества экспертов из нескольких университетов, предполагает, что на самом деле гелиосфера выглядит как… весьма странное объединение практически всех наших теорий.

Многие годы ученые считали, что гелиосфера больше похожа на комету или ветряной носок, с круглым носом на одном конце и хвостом на другом. Вот как это обычно изображается в учебниках и статьях:

Отметим, что в последние годы появились и две другие е формы, которые кажутся ученым наиболее вероятными. В 2020 году данные космического корабля Voyager 1 свидетельствовали о наличии двух хвостов, из-за которых гелиосфера больше напоминала странный «круассан». Два года спустя данные миссии Cassini показали, что мы должны полностью избавиться от концепции хвоста, превратив гелиосферу в гигантский пляжный мяч.

Наука

Разработан новый метод датировки возраста древесины

«Не легко принять такого рода изменения. Все научное сообщество, работающее в этой области, более 55 лет предполагало, что у гелиосферы есть хвост как у кометы», поясняет Том Кримигис, который проводил эксперименты на «Кассини» и «Вояджере».

Теперь нам, возможно, придется еще раз переосмыслить наши предположения. Все потом, что если новая модель верна, гелиосфера вполне может иметь форму как спущенного пляжного мяча, так и выпуклого круассана. Как это возможно? На самом деле все зависит попросту от того, где и как вы определяете ее границу.

Считается, что гелиосфера простирается более чем в два раза дальше Плутона. На этой дистанции солнечный ветер постоянно наталкивается на межзвездную материю, защищая нас от заряженных частиц, которые в противном случае могли бы превратить Солнечную систему в решето. Но выяснить, где именно существует эта граница, все равно, что попытаться выяснить, какой оттенок серого должен отличать черный от белого.

Однако используя данные космического корабля New Horizons, который сейчас исследует космос за пределами Плутона, астрономы наконец нашли способ разделить две стороны. Вместо того, чтобы предполагать, что все заряженные частицы одинаковы, новая модель разделяет их на две группы: заряженные частицы от солнечного ветра и нейтральные частицы, дрейфующие в Солнечной системе.

В отличие от заряженных частиц в межзвездном пространстве, эти нейтральные «поглощающие ионы» могут легко проскользнуть через гелиосферу до того, как их электроны будут сбиты. Сравнивая температуру, плотность и скорость поглощающих ионов с солнечными волнами, команда и нашла способ определить форму гелиосферы.

«Истощение [поглощающих ионов] из-за взаимодействия с нейтральными атомами водорода межзвездной среды охлаждает гелиосферу, приводя ее к меньшей и более округлой форме. Такая модель подтверждает данные, полученные «Кассини»», пишут авторы.

Другими словами: в зависимости от того, какую точку вы выберете, чтобы определить границу, гелиосфера может выглядеть и как спущенная сфера, и как полумесяц. Но это лишь самая базовая модель, которая может измениться с будущем — астрономам лишь остается добывать все новые данные, чтобы в конце концов их теория соответствовала истине на 100%.

Граница ударной волны

— это поверхность внутри гелиосферы, на которой происходит резкое замедление солнечного ветра до звуковых скоростей (относительно скорости самого Солнца). Это происходит из-за того, что вещество солнечного ветра «наталкивается» на межзвёздное вещество. Полагают, что в нашей Солнечной системе граница ударной волны находится на расстоянии 75—90 а.e. (около 11—13,5 млрд км).[6] В 2007 году «Вояджер-2» пересёк границу ударной волны[7]. (Фактически он пересекал её пять раз, из-за того, что граница непостоянна и меняет своё расстояние от Солнца в результате колебаний солнечной активности и количества испускаемого Солнцем вещества).

Ударная волна возникает потому, что частицы солнечного ветра движутся со скоростью около 400 км/с, в то время как скорость звука в межзвёздном пространстве составляет примерно 100 км/с (точное значение зависит от плотности, и потому может меняться). Хотя межзвёздное вещество имеет очень малую плотность, оно все-таки создаёт постоянное, хоть и незначительное давление, которого на определённом расстоянии от Солнца становится достаточно, чтобы затормозить солнечный ветер до звуковых скоростей. В этом месте и возникает ударная волна.

Подобные границы ударных волн могут наблюдаться в земных условиях. Простейший пример можно видеть, наблюдая за поведением потока воды в раковине. Ударяясь о раковину, струя воды растекается во все стороны со скоростью, превышающей скорость распространения механических волн в воде. Формируется диск очень малой толщины из быстро растекающейся воды, который аналогичен сверхзвуковому потоку солнечного ветра. На краях этого диска образуется водяной вал, за которым вода течёт со скоростью, меньшей скорости распространения механических волн.

Дополнительные сведения: ударная волна

Свидетельства, представленные Эдом Стоуном на встрече Американского Геофизического союза в мае 2005 года, утверждают, что космический аппарат «Вояджер-1» пересёк границу ударной волны в декабре 2004 года, когда находился на расстоянии 94 а.e. от Солнца. Такой вывод был сделан по изменению показателей магнитного поля, получаемых с аппарата. Аппарат «Вояджер-2», в свою очередь, зафиксировал обратное движение частиц уже на расстоянии 76 а.е. в мае 2006 года. Это говорит о несколько несимметричной форме гелиосферы, северная половина которой больше южной[8].

Спутник Interstellar Boundary Explorer попытается собрать дополнительные данные о границе ударной волны.

За границей ударной волны находится гелиопауза

, где происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешивание его с межзвёздным веществом, а ещё дальше —
головная ударная волна
, при прохождении которой частицы межзвёздного ветра испытывают торможение, аналогичное торможению солнечного ветра.

В июне 2011 года было объявлено, что благодаря исследованиям «Вояджеров» стало известно, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Это происходит из-за того, что намагниченные материя и мелкие космические объекты образуют местные магнитные поля, которые можно сравнить с пузырями[9].

Структура

Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный токовый слой (показан до орбиты Юпитера)

Шаблон:main

Гелиосферный токовый слой представляет собой «рябь» в гелиосфере, которая создаётся магнитным полем Солнца, вращающимся и меняющим свою полярность. Токовый слой выходит за пределы гелиосферы и является самой масштабной структурой в Солнечной системе. Своей формой он напоминает многослойную юбку балерины[5].

Внешняя структура

Солнечная система, гелиосфера, облако Оорта и Альфа Центавра, наложенные на логарифмическую шкалу

Внешняя структура гелиосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с потоком частиц в межзвёздном пространстве. Потоки солнечного ветра движутся во все стороны от Солнца, вблизи Земли имея скорости в несколько сотен километров в секунду. На определённом расстоянии от Солнца, далеко за орбитой Нептуна, этот сверхзвуковой поток начинает снижать свою скорость. Это торможение происходит в несколько этапов:

  • Солнечный ветер имеет сверхзвуковую скорость внутри Солнечной системы. На так называемой границе ударной волны
    происходит падение скорости солнечного ветра до звуковых значений.
  • Потеряв сверхзвуковую скорость, солнечный ветер начинает взаимодействовать с окружающим межзвёздным веществом. Это взаимодействие между галактическим веществом и движущимся в нём Солнцем приводит к тому что гелиосфера приобретает каплеобразную форму, вытянутую хвостом в сторону, противоположную направлению движения Солнца. Эта область пространства называется гелиосферной мантией
    (
    мантией Солнечной системы
    )
  • Поверхность, которая ограничивает гелиосферную мантию и на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешение его с набегающим межзвёздным веществом, называют гелиопаузой
    . Она является границей всей гелиосферы.
  • Движение Солнца в межзвёздной среде приводит к тому, что в окружающем межзвёздном пространстве происходят возмущения. Точно так же, как солнечный ветер на границе ударной волны теряет свою скорость, межзвёздный ветер, движущийся навстречу движению Солнца, изменяет свою скорость на аналогичной границе, называемой головной ударной волной
    . Она находится за пределами гелиосферы, и здесь происходит торможение не солнечного, а межзвёздного ветра.
Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: