Переосмысление гелиосферы Солнечной системы

Космические физики называют этот пузырь гелиосферой. Это обширный регион, простирающийся на расстоянии в два раза большим расстояния от Солнца до Плутона, который создает магнитное силовое поле вокруг всех планет, отклоняя заряженные частицы, которые в противном случае могли бы проникнуть в Солнечную систему и даже разорвать вашу ДНК, если не повезет оказаться у них на пути.

Гелиосфера обязана своим существованием взаимодействию солнечного ветра и частиц вне Солнечной системы. Хотя считается, что пространство между звездами совершенно пустое, на самом деле оно заполнено тонким бульоном из пыли и газа от других звезд - живых, мертвых и еще не рожденных. Усредненный по всей галактике, каждый объем пространства размером с сахарный кубик содержит только один атом, а область вокруг нашей Солнечной системы еще менее плотна.

Солнечный ветер постоянно давит на этот межзвездный материал. Но чем дальше от Солнца, тем слабее становится это давление. После десятков миллиардов миль межзвездный материал начинает также давить. Гелиосфера заканчивается там, где уравновешиваются два давления. Но где именно эта граница и как она выглядит?

Мерав Офер, профессор астрономии в Колледже искусств и наук Бостонского университета и в Центре космической физики, изучает эти вопросы почти 20 лет. И в последнее время ее ответы вызвали переполох.

Поскольку вся наша Солнечная система движется через межзвездное пространство, гелиосфера, несмотря на свое название, на самом деле не сфера. Космические физики долго сравнивали ее форму с кометой, с круглым «носом» на одной стороне и длинным хвостом, простирающимся в противоположном направлении.

Но в 2015 году, используя новую компьютерную модель и данные с космического корабля Вояджер 1, Офер и ее соавтор Джеймс Дрейк из Университета Мэриленда пришли к другому выводу: они предположили, что гелиосфера имеет форму полумесяца. В этой модели "круассана" две струи простираются вниз по течению от носа.

Спустя два года после начала дискуссии о «круассанах», показания космического корабля Кассини, который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, предложили еще одно видение гелиосферы. Ученые из Кассини сделали вывод, что частицы, отражающиеся от границы гелиосферы, связаны с ионами, измеренными космическим аппаратом-близнецом Вояджер, пришли к выводу, что гелиосфера на самом деле почти круглая и симметричная: ни комета, ни круассан, а больше похожа на пляжный мяч. Их результат был столь же спорным, как и круассан.

Теперь Офер, Дрейк и коллеги Ави Леб из Гарвардского университета и Габор Тот из Мичиганского университета разработали новую трехмерную модель гелиосферы, которая могла бы примирить «круассан» с пляжным мячом. Их работа была опубликована в Nature Astronomy 16 марта.

В отличие от большинства предыдущих моделей, в которых предполагалось, что все заряженные частицы в Солнечной системе колеблются вокруг одной и той же средней температуры, новая модель разбивает частицы на две группы. Сначала это заряженные частицы, поступающие непосредственно от солнечного ветра. Во-вторых, это то, что космические физики называют «поглощением» ионов. Это частицы, которые попали в Солнечную систему в электрически нейтральной форме - поскольку они не отклоняются магнитными полями, нейтральные частицы могут "просто войти", говорит Офер, - но затем их электроны выбивает.

Космический корабль «Новые горизонты», который исследует пространство за Плутоном, обнаружил, что эти частицы становятся в сотни или тысячи раз жарче, чем обычные ионы солнечного ветра, поскольку переносятся солнечным ветром и ускоряются его электрическим полем. Путем моделирования температуры, плотности и скорости двух групп частиц по отдельности исследователи обнаружили их огромное влияние на форму гелиосферы.

Эта форма, согласно новой модели, фактически разделяет разницу между круассаном и сферой. Назовите это спущенным пляжным мячом или выпуклым круассаном: в любом случае, с этим согласились и команда Офера, и исследователи Кассини.

Новая модель сильно отличается от классической модели кометы. Но на самом деле они могут быть более похожими, чем кажутся, в зависимости от того, как именно определять границу гелиосферы. Представьте фотографию в оттенках серого и черно-белого. Окончательное изображение во многом зависит от того, какой именно серый оттенок вы выберете в качестве разделительной линии между черным и белым.

Так зачем вообще беспокоиться о форме гелиосферы? Исследователи, изучающие экзопланеты очень заинтересованы в сравнении нашей гелиосферы с теми, что вокруг других звезд. Может ли солнечный ветер и гелиосфера быть ключевыми ингредиентами в рецепте жизни? «Если мы хотим понять окружающую среду, нам лучше понять гелиосферу», - говорит Лоэб.

Также речь идет о измельчающих ДНК межзвездных частицах. Исследователи все еще работают над тем, что именно они означают для жизни на Земле и на других планетах. Некоторые считают, что они могут вызвать генетические мутации, которые привели к такой жизни, как мы. «В нужном количестве они вносят изменения, мутации, которые позволяют организму развиваться и становиться более сложным. Но при превышении дозы, лекарство становится ядом. «В жизни всегда существует тонкий баланс. Слишком много хорошего - это плохо», - говорит Леб.

Но когда дело доходит до данных, редко бывает слишком много хорошего. И хотя модели кажутся сходящимися, они все еще ограничены недостатком данных из внешних источников Солнечной системы. Вот почему такие исследователи, как Офер, надеются заставить НАСА запустить межзвездный зонд следующего поколения, который прорежет путь через гелиосферу и непосредственно обнаружит ионы вблизи периферии гелиосферы. Пока что только космические корабли Вояджер 1 и Вояджер 2 перешли эту границу, но их запустили более 40 лет назад, и у них на борту инструменты более старой эпохи, которые были предназначены для другой работы. Новый зонд может появиться в 2030-е годы и начать исследование края гелиосферы через 10 или 15 лет после этого.

«С помощью Межзвездного зонда мы надеемся раскрыть хотя бы некоторые из многочисленных загадок, которые Вояджеры начали раскрывать», - говорит Офер. И этого стоит подождать.