Солнечная система закончилась не так ↓

Авторы: Артём Тунцов, Алексей Петров

Космический аппарат Voyager-2 преодолел важный рубеж на пути к другим звёздам. Пересечение границы изрядно озадачило учёных – температура и другие свойства среды за её пределами оказались совсем не такими, как ожидали астрофизики.

Границу Солнечной системы в бесконечном космическом пространстве трудно себе представить. Однако астрофизики давно провели четкую грань, отделяющую нашу звездную систему от «внешнего» космоса. Она проходит в той области, где поток так называемого солнечного ветра – заряженных частиц, испускаемых Солнцем во всех направлениях, – останавливается под давлением межзвездного газа.

Эта граница называется гелиопаузой. И хотя влияние тяготения Солнца заметно и за гелиопаузой – в конце концов, никаких звёзд крупнее в наших окрестностях нет, именно здесь начинается «настоящее» межзвёздное пространство, в котором правят балом звёздные ветра других звёзд и заряженные частицы, траектории которых долгие миллионы лет путает неоднородное магнитное поле нашей Галактики.


Астрономы уверены, что граница эта располагается на расстоянии примерно в 20 миллиардов километров от нашего светила, то есть 130-140 астрономических единиц – средних расстояний от Земли до Солнца. Однако где именно она проходит, и как выглядит отделённый ей от межзвёздного пространства «кокон» – астрономы называют его гелиосферой – пока точно не известно.

Одно понятно – ещё до полной остановки с солнечным ветром должна произойти очень важная метаморфоза – из сверхзвукового потока, который и на ветер, на самом деле, мало похож, солнечный ветер должен превратиться в упругий газ. Происходит это на так называемой ударной волне, где скорость частиц становится меньше скорости звука. Правда, в отличие от ударной волны при взрыве бомбы, разбегающейся от эпицентра, здесь фронт оказывается стоячим (ну или почти стоячим, как мы увидим дальше): Солнце светит уже миллиарды лет, и за это время солнечный ветер и межзвёздная среда успели приноровиться друг к другу.

После этого частицы начинают чувствовать давление, которое они оказывают друг на друга, и именно это давление начинает тормозить их. Эту ударную волну поэтому часто считают границей «внутренних» областей гелиосферы, и до недавнего времени лишь один из созданных руками человека космических аппаратов мог похвастаться тем, что выбрался за её пределы. Это Voyager-1, преодолевший границу ударной волны в декабре 2004 года.

Вторым таким аппаратом недавно стал «брат-близнец» первого Voyager'а – Voyager-2, сообщает NASA. И его свершение оказалось для учёных гораздо более интересным.

Собственно, сам критический момент пришёлся на 30 августа текущего года, однако пока астрономы NASA расшифровали полученную от зонда информацию и разобрались в ней, прошло ещё три месяца. И разбираться было в чём.

Во-первых, границу он преодолел совсем не там, где её три года назад нащупал Voyager-1, а на 1,5 миллиарда километров ближе к Солнцу. Второй аппарат, в отличие от первого, завершив 15 лет назад изучение планет-гигантов, отправился не на север, а на юг. И там, с южной стороны, Солнечная система оказалось более «приплюснутой», чем с севера.

Впрочем, учёные к такому положению вещей были готовы: ещё полтора года назад приборы Voyager'а-2 заметили потоки сравнительно быстрых (на физическом языке – «тёплых») ионов со стороны гелиопаузы. Это тёплое дыхание, прежде зафиксированное первым Voyager'ом в начале 2000-х годов, и позволило предположить, что граница ударной волны близка. Учёные начали готовить приборы и, главное, убедили своих коллег из Службы дальней космической связи NASA, что за Voyager'ом-2 надо следить (пересечение границы Voyager'ом-1 они пропустили, и информация со сделанного 30 лет назад аппарата благополучно «пролетела» мимо Земли: хранить её аппарат не умеет).


Второе отличие Voyager'а-2 в том, что границу он пересек не один раз и не два. Приборы по измерению свойств плазмы солнечного ветра, которые, кстати, у старшего аппарата сломались ещё задолго до прохода знакового рубежа, чётко зафиксировали пятикратное прохождение границы ударной волны за месяц, причём три таких события учёные смогли отследить в реальном времени.

По сути, космический аппарат играл в перегонки с границей волны, которая чуть колышется вперёд-назад в зависимости от активности солнечных вспышек.

Более того, одна из самых подробных на сегодняшний день моделей утверждает, что эта игра ещё не закончена – в середине 2008 года волна вновь догонит Voyager-2, а затем «отхлынет» назад.

Это будет последнее напоминание аппарату, стремящемуся к границе с межзвёздным пространством со скоростью в 1,35 миллиона километров в сутки, о внутренних областях нашей Солнечной системы.

Когда аппарат достигнет самой гелиопаузы, пока не рискуют предполагать даже авторы доклада о прохождении им границы ударной волны. Эдвард Стоун, представивший доклад о достижении Voyager'а-2 на съезде Американского геофизического общества в Сан-Франциско, оценил этот срок в 7-10 лет.

Однако даже он не стал делать ставки на то, какой из братьев-близнецов достигнет границы первым. Хотя Voyager-1 находится на 3 миллиарда километров дальше от Солнца и летит быстрее (1,47 миллиона километров в сутки), Voyager-2 приближается к южной границе, которая сильнее «поджата», чем северная – вероятно, из-за влияния магнитного поля Галактики. Сейчас первый аппарат удалился уже на 15,8 миллиардов километров от Солнца, второй – 12,7 миллиардов километров.

Так или иначе, работающие на радиоактивном распаде источники энергии обоих Voyager'ов должны проработать ещё не один десяток лет. Так что если NASA не откажется тратить время своих космических антенн на собранные аппаратами данные, человечеству уже в следующем десятилетии предстоит узнать, как чувствуют отправленные ещё 30 лет в космос его посланники там, в настоящем межзвёздном пространстве.

Строение гелиосферы-Гелиосферой (heliosphere) называют область пространства, заполненную солнечным ветром, в которой доминирует околосолнечная плазма и солнечные магнитные поля. Солнечный ветер - это поток быстрых заряженных частиц, выбрасываемых с поверхности Солнца так называемыми солнечными вспышками и корональными массисвными выбросами.

Скорость этих частиц поначалу гораздо больше скорости звука в околосолнечном веществе, однако со временем первая падает, а вторая растёт. На поверхности, называемой границей ударной волны (termination shock), эти скорости сравниваются. Это происходит на расстоянии примерно в 90 астрономических единиц или 13 миллиардов километров от Солнца. На фронте ударной волны вещество тормозится и разогревается, и его свойства начинают напоминать свойства газа - частицы «чувствуют» друг друга, флуктуации давления в неоднородной среде, у газа появляется упругость.

Именно благодаря этой упругости происходит дальнейшее торможение частиц солнечного ветра, и полная остановка происходит на поверхности, называемой гелиопаузой (heliopause), где солнечный ветер приходит в контакт с межзвёздной средой. Именно эта поверхность и являет собой границу гелиосферы.

Строение магнитного поля также претерпевает значительные изменения на обеих поверхностях - как на границе ударной волны, так и на гелиопаузе. Если до границы ударной волны плазма солнечного ветра переносит «вмороженные» в неё магнитные поля, практически не замечая препятствий (за исключением магнитосфер крупных планет), то на границе, с изменением характера течения плазмы меняется и структура магнитного поля. За гелиопаузой бал правят межзвёздные магнитные поля нашей Галактики.

У «набегающего» межзвёздного вещества есть своя ударная волна, на которой она останавливается, она называется внешней ударной волной (external bow shock). Эти ударные волны защищают Солнечную систему (и Землю) от значительной части космической радиации, пропуская внутрь лишь космические лучи относительно высоких энергий - остальные на границе отражаются от сжатого в ударной волне магнитного поля.

По материалам энциклопедий

Неожиданные потери-Наличие работающих приборов, измеряющих характеристики плазмы в окрестности Voyager'а-2 озадачило астрономов. И если большая, чем ожидалось, напряжённость магнитного поля снаружи гелиосферы стала понятна ещё полтора года назад – именно она, скорее всего, «поджимает» гелиосферу с юга, то поведение температуры на ударной волне и вблизи её стало большим сюрпризом.

Температура плазмы за ударной волной оказалась вдесятеро ниже, чем ожидалось. Именно на увеличение температуры должна, как правило, уходить кинетическая энергия тормозящихся на фронте волны частиц. Куда она делась, учёные пока не знают.

Одно из предположений состоит в том, что часть энергии уходит на ускорение заряженных частиц на фронте - тех самых «тёплых» ионов, которые ещё полтора года назад заметил Voyager-2, а также более высокоэнергичных частиц, зафиксировать которые приборы аппарата не могут. И если расходы энергии на тёплые ионы астрономы учли в своих моделях, то на более горячую составляющую никаких указаний не было. Теперь учёным предстоит пересмотреть свои модели.

Возможно, потери на ускорение частиц смогут объяснить и ещё одну загадку. Ударная волна, пять раз пройденная Voyager'ом-2 оказалась совсем не похожа на классические ударные волны. Вместо резкого изменения плотности, температуры и скорости частиц, специалисты наблюдали их постепенное изменение при приближении к границе и лишь относительно небольшой скачок на самой границе.

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT), более 30 лет назад разработавшие и изготовившие приборы для измерения параметров плазмы, надеются, что они проработают у Voyager'а-2 и ещё хотя бы десяток лет. В этом случае они смогут коснуться того, до чего ещё ни разу не добирались руки и приборы земных физиков - «настоящей» межзвёздной плазмы за границей гелиопаузы