На первый взгляд, она похожа на что-то, полученное при вскрытии инопланетянина. Странный орган, вырезанный из грудной клетки чужого в мерцающем свете операционной в сверхсекретном правительственном учреждении, с венозными усиками, свисающими на пол из которых капает вязкая слизь (может быть, кто-то из X-Com?).
Однако, нет, это всего лишь наша Солнечная система.
Эта странная и завораживающая форма на самом деле графическое изображение того, как выглядит Солнечная система, или, скорее, магнитный пузырь, окружающий её. Это отражение гелиосферы, массивного пузыря высеченного прямо в космосе в следствие постоянной активности Солнца.
Такие отображения называют моделью “сдутого круассана”.
Проблема с точным измерением гелиосферы заключается в том, что мы находимся внутри неё. Её граница простирается на 16 миллиардов километров. И лишь благодаря паре аппаратов “Вояджер” мы имеем некоторые данные, полученные за пределами гелиосферы. “Вояджер-1” покинул гелиосферу и вошёл в межзвёздное пространство в августе 2012-ого года, а “Вояджер-2” совершил то же самое в ноябре 2019-ого.
Существуют миссии по изучению гелиосферы, такие как IBEX (НАСА) и Interstellar Boundary Explorer (Исследователь Межзвёздных Границ). В месте, где гелиосфера граничит с межзвёздным пространством, происходят сложные взаимодействия, и эта область называется гелиопаузой. IBEX изучает так называемые энергетически нейтральные атомы. Они образуются, когда космические лучи за пределами Солнечной системы, встречаются с заряженными частицами внутри неё. Поскольку эти энергетически нейтральные атомы образуются именно благодаря взаимодействиям с межзвёздным пространством, то они служат своего рода маркером для измерения границ гелиосферы.
Однако данные об этих взаимодействиях являются довольно сложными для обработки: их необходимо использовать в компьютерных моделях, чтобы делать какие-либо разумные прогнозы о природе и форме гелиосферы. НАСА и Национальный Научный Фонд США (ННФ) профинансировали группу учёных для решения данной задачи, названную SHIELD Drive Science Center при Бостонском университете.
В исследовании, опубликованном годом ранее, представлены некоторые результаты по изучению гелиосферы. Оно называется “Маленькая круглая гелиосфера, полученная с помощью магнитогидродинамического моделирования захваченных ионов”. Ведущий автор исследования – Мерав Офер, профессор астрономии Бостонского университета. Статья об этом была опубликована в журнале Nature Astronomy.
Учёные привыкли думать, что гелиосфера имеет форму кометы. По мере движения Солнечной системы в космосе, исходящий от Солнца поток частиц и излучения встречается с межзвёздным пространством, что создаёт ударную волну у передней границы и “гелиохвост” у задней, напоминающий хвост кометы.
“Форма гелиосферы изучалась на протяжении последних шести десятилетий”, – сообщают авторы в своей статье. “Со времён первых работ в данном научном направлении Баранова и Маламы, преобладало мнение о том, что гелиосфера похожа на комету”.
Но новое исследование демонстрирует нам другую форму гелиосферы. Его авторы показывают, что более свежие данные указывают на то, что гелиосфера содержит две струйные структуры.
Вместе с данными IBEX, исследователи использовали данные зондов “Кассини” и “Новые Горизонты”. Обе являются планетарными миссиями, однако они собрали некоторые данные о Солнечной системе. В случае с “Кассини”, регистрировались частицы, возвращаемые обратно в Солнечную систему в следствие отскока, получавшегося в результате взаимодействий с межзвёздным пространством.
“Наблюдения ‘Кассини’ энергетически нейтральных атомов также предполагают отсутствие у гелиосферы хвоста”, – поясняет группа учёных.
“Новые Горизонты” измерял так называемые захваченные ионы (англ. PUIs). Такие ионы являются важной частью всего исследования. Они образуются, когда Солнце движется сквозь частично ионизированную среду. Далее они обмениваются зарядами с солнечным ветром, и это создаёт среду захваченных ионов, температура которых отличается от типичных ионов солнечного ветра.
Когда “Вояджер-2” пересёк границу межзвёздного пространства, он показал, что давление в гелиооболочке определяется как раз-таки захваченными ионами. Но в это время не проводилось исследований для определения того, как эти ионы образуют форму гелиосферы. Это было сделано в ходе недавнего исследования, и именно так учёные получили новое изображение гелиосферы, которое выглядит довольно странным.
В статье авторы объясняют, что новая модель воспроизводит как свойства захваченных ионов, полученные “Новыми Горизонтами”, так и свойства ионов солнечного ветра, основанных на наблюдениях КА “Вояджер-2”, а также на данных о магнитном поле, подобном солнечному, полученных вне гелиосферы аппаратами “Вояджер-1” и “Вояджер-2”.
Захваченные ионы являются более горячими, чем остальные частицы солнечного ветра, и это стало ключевым моментом всей работы.
“Есть две смешанные жидкости. У вас есть один очень холодный компонент и гораздо более горячий – захваченные ионы”, – говорит ведущий автор Офер в пресс-релизе. “Если у вас есть холодная и горячая жидкости, и вы поместите их в космос, то они не будут смешиваться, а они будут развиваться в дальнейшем отдельно. Мы буквально разделили эти две составляющие солнечного ветра и смоделировали полученную трёхмерную форму гелиосферы”.
Вместо красивой и аккуратной формы мы получаем вот такую. Вместо вытянутой сферической формы с хвостом у нас есть что-то наподобие “сдутого” круассана. Выпуклая форма больше похожа на какой-то орган.
Поскольку захваченные ионы доминируют в термодинамике гелиосферы, то полученная форма очень выпуклая. Но из-за того, что они покидают её очень стремительно в следствие отскока, вся гелиосфера как бы сдувается.
И хотя новое изображение гелиосферы интересно с графической точки зрения, оно также важно и с научной благодаря важности роли гелиосферы в науке.
За пределами гелиосферы космические лучи возникают в результате высокоэнергетических событий в других звёздных системах. Космические лучи – это протоны и атомные ядра с высокими энергиями, которые движутся в космосе с релятивистскими скоростями. Они образуется после таких событий, как сверхновые, которые распространяют их во все направления.
Космические лучи очень опасны, а наша гелиосфера является средством защиты от них. Она поглощает около 75% всех космических лучей, направленных к нам, а те, которые всё-таки проходят, могут быть очень разрушительными. На Земле от проходящих космических лучей нас защищают наши магнитосфера и атмосфера. Но для спутников, космических аппаратов и космонавтов опасность реальна.
Космические лучи не только повреждают электронику, но и их воздействие увеличивает риск заболевания раком у космонавтов. И эти частицы обладают настолько высокими энергиями, что защитить от них космонавтов представляется очень сложной задачей. Космические лучи – это одна из главных опасностей в длительных полётах из-за повышенного риска возникновения рака.
Есть также некоторые свидетельства того, что увеличение количества космических лучей по мере движения Солнца относительно плоскости галактики, могли приводить к земным вымираниям. Некоторые исследователи уверены, что взрывы сверхновых в прошлом подвергали Землю гораздо более высокому воздействию космическими лучами, и это могло привести к исчезновению морской фауны в эпоху плиоцена. Но большинство подобных исследований противоречивы.
Лучшее понимание нашей гелиосферы может также помочь нам в оценке обитаемости экзопланет. Воздействие космических лучей может сделать планеты непригодными для жизни, даже те, которые находятся в зоне обитаемости вокруг далёких звёзд. По мере того, как мы получаем всё более точные представления о форме и функциях нашей гелиосферы, мы можем применять эти сведения к другим звёздным системам, что даёт нам более утончённый способ взглянуть на обитаемость и жизнь на других планетах.
В настоящий момент мы недостаточно много знаем о нашей собственной гелиосфере, включая её форму, чтобы точно описать другие гелиосферы.
Но предстоящая миссия НАСА должна помочь нам в этом вопросе. Она называется IMAP, или Interstellar Mapping and Acceleration Probe (Межзвёздное Картографирование и Ускоренный Зонд). Запуск IMAP запланирован на 2024-ый год, и он будет отображать положения и траектории частиц, которые движутся от границ гелиосферы к Земле.
Научный центр DRIVE также будет играть роль в миссии IMAP. Офер и коллеги создадут тестовую модель гелиосферы к моменту запуска IMAP в 2024-ом году. Их модель будет содержать в себе более подробные прогнозы формы и других свойств гелиосферы. Затем учёные смогут использовать наблюдения IMAP для их проверки.
“Будущее дистанционное зондирование и дальнейшие измерения непосредственно будут способны проверить вероятность наличия более круглой формы гелиосферы”, – пишут авторы исследования в заключении своей статьи.
Будущие миссии, такие как IMAP, но с более высокими энергиями, смогут изучить распространение энергетически нейтральных атомов, которые являются захваченными ионами, поменявшими свой заряд, и, таким образом, смогут исследовать атомы, приходящие из глубин гелиосферического хвоста. В таком случае, более позднее исследование глобальной структуры гелиосферы позволит проверить разрабатываемую модель.