Выйти из пузыря

На прошлой неделе в журнале Nature вышла серия статей, посвященных данным о свойствах межзвездной среды, собранным зондом «Вояджер-2», который годом ранее вышел за пределы гелиосферы. Редакция N+1 решила спросить о том, что происходит на границе околосолнечного «пузыря» и межзвездного пространства сотрудницу лаборатории межпланетной среды Института космических исследований Ольгу Катушкину, которая занималась анализом данных, собранных «Вояджерами».

N+1: Давайте для начала разберемся, что происходит при удалении от центра Солнечной системы.

Ольга Катушкина: Помимо электромагнитного излучения Солнце также является источником солнечного ветра, то есть потоков частиц — в первую очередь, протонов и электронов. Солнечный ветер постоянно истекает из звезды, при этом он образует сверхзвуковой поток.

Даже вдали от Солнца не вакуум, не пустота, а заполненная частицами среда. Следовательно, как и в любой среде, в которой есть частицы, в ней можно определить скорость звука, которая соответствует скорости распространения малых возмущений. Скорость солнечного ветра, например, на орбите Земли, находится в диапазоне от 400 до 700 километров в секунду и это примерно в 10 раз больше скорости звука в околоземной плазме.

Солнечная система, в свою очередь, находится в локальной межзвездной среде, которая также заполнена протонами и электронами — межзвездной плазмой. Солнце сквозь эту плазму движется, что можно сравнить с движением самолета в воздухе. В результате получается взаимодействие двух потоков: сферически-симметричного солнечного ветра, который от звезды распространяется во все стороны, и, если мы смотрим в связанной с Солнцем системе координат, набегающего на нас потока межзвездной плазмы.

Эти два потока сталкиваются между собой, формируя при этом область взаимодействия, которая состоит из нескольких границ. Ближняя к Солнцу граница, которую «Вояджеры» давно пересекли, называется гелиосферной ударной волной. Она характеризуется тем, что на ней солнечный ветер тормозится со сверхзвуковой скорости до звуковой.

И что в этом месте происходит? По каким характеристикам среды мы понимаем, что мы прошли вот эту границу?

Здесь все происходит как со сверхзвуковым самолетом. Перед ним также образуется ударная волна, где происходит торможение потока, а его плотность и температура увеличиваются. Эту границу «Вояджер-1» пересек в 2004, а «Вояджер-2» — в 2007 году.

Если двигаться дальше от Солнца, то на некотором расстоянии наступает момент, когда давления этих двух сталкивающихся потоков — солнечного ветра изнутри и межзвездной плазмы снаружи — уравниваются. В этом месте образуется гелиопауза, а пространство внутри нее называется гелиосферой. Именно эту границу год назад пересек «Вояджер-2».

Что происходит здесь с солнечным ветром? Он останавливается?

В целом солнечный ветер за гелиопаузу не проникает, а межзвездная плазма не проникает внутрь гелиопаузы. Однако скорость солнечного ветра здесь не падает до нуля, но меняет направление, его поток разворачивается и физически образуется граница раздела двух сред. Солнечный ветер обтекает гелиопаузу изнутри, а межзвездная плазма — снаружи. Гелиопауза — это не точка, а обладающая незамкнутой формой поверхность: со стороны набегающего потока межзвездной плазмы она напоминает сферу, а с противоположной у нее длинный хвост.

При пересечении гелиопаузы могут наблюдаться изменения параметров среды, в том числе, магнитного поля. Гелиосфера заполнена плазмой солнечного ветра и собственным магнитным полем, а снаружи гелиопаузы — межзвездная плазма, межзвездные протоны с электронами и межзвездное магнитное поле.

Как выглядят силовые линии солнечного магнитного поля на таком расстоянии от звезды?

В первом приближении можно представить, что Солнце — это диполь. Однако Солнце вращается вокруг своей оси, из-за чего исходящие из него линии магнитного поля закручиваются в спираль. Также необходимо учитывать, что магнитное поле «вморожено» в плазму, то есть в данном случае связано с солнечным ветром. Следовательно, магнитное поле распространяется вместе с потоками улетающих от звезды заряженных частиц.

На первой границе, на гелиосферной ударной волне, наблюдается изменение магнитного поля — оно несколько увеличивается, силовые линии смещаются, а их направление меняется. Однако эти изменения хорошо описываются теоретическими моделями, поэтому никаких неожиданностей в этом смысле данные «Вояджеров» не содержали.

А что происходит у края гелиосферы?

Около второй границы магнитные силовые линии становятся очень частыми, при этом поле приобретает довольно сложную структуру. Тем не менее, есть модели магнитного поля, которые более-менее определенно воспроизводят ситуацию с внутренней стороны гелиопаузы. Считалось, что поле снаружи не должно быть никак связано с полем во внутренней части, поэтому ожидали резкого изменения направления магнитного поля при пересечении гелиопаузы.

Первые данные о поле вне гелиопаузы прислал «Вояджер-1», когда пересек ее в 2012 году. Оказалось, что направление поля внутри и снаружи примерно одинаковы. Это было неожиданно и даже стало причиной сомнений в реальности объявленного события — пересечения гелиопаузы. Также аппарат заметил быстрый рост величины поля — примерно в полтора раза. Теперь «Вояджер-2» подтвердил эти результаты: в пределах погрешности измерений направление магнитного поля не меняется при пересечении гелиопаузы.

Какие новые данные получил «Вояджер-2» относительно известного ранее благодаря «Вояджеру-1»?

Самое главное в том, что на «Вояджере-2» работают приборы, которые напрямую измеряют параметры плазмы, ее плотность, скорость, по которым можно оценить и температуру. На «Вояджере-1» этот прибор не функционирует, он с 1980-го года сломан. Поэтому, когда «Вояджер-1» пересек гелиопаузу, то все измерения этих величин были косвенными, аппарат измерял только магнитное поле и потоки частиц. На «Вояджере-2» эти приборы работают, поэтому данных стало заметно больше. Теперь мы знаем точно, как ведет себя солнечный ветер при приближении к гелиопаузе, эти данные будут полезны для теоретиков, которые строят соответствующие модели.

Работающий прибор позволил «Вояджеру-2» оценить температуру плазмы снаружи гелиопаузы — она оказалась равна 30–50 тысячам кельвинов. Эта информация новая и интересная, потому что имеющиеся численные модели дают разные значения температуры, и теперь можно использовать данные измерений для проверки моделей.

Концентрация протонов в возмущенной межзвездной плазме непосредственно за гелиопаузой по данным «Вояджера-2» составляет 0,039 частиц на кубический сантиметр, а «Вояджер-1» измерил 0,055. Это в целом согласуется с теоретическими оценками. Относительно типичных значений для внешней гелиосферы в 0,002 частицы на кубический сантиметр плотность увеличилась примерно в 20 раз.

В опубликованных статьях нет данных о прямых измерениях скорости и плотности плазмы за гелиопаузой, что связано с техническими проблемами и неудачной ориентацией зонда. В дальнейшем, возможно, ученым удастся провести эти измерения.

Благодаря аппаратам мы знаем расстояние до гелиопаузы: 121,6 астрономических единиц в случае «Вояджера-1» и 119,7 в случае «Вояджера-2». Разница связана с различием в направлениях движения зондов и может быть использована для оценки асимметрии формы гелиосферы.

Аппараты измерили магнитное поле вне гелиосферы: «Вояджер-1» показал 0,49 нанотесла, а «Вояджер-2» — 0,68 нанотесла. Это также новый интересный факт, который теоретики будут пытаться объяснять на основании результатов численного моделирования. Это различие связано с тем, что межзвездная среда непосредственно за гелиопаузой возмущена и все еще чувствует влияние солнечного ветра, поэтому значение поля в разных частях гелиопаузы может отличаться.

Кроме того, когда «Вояджер-1» пересек гелиопаузу, он обнаружил, что некоторые высокоэнергичные межзвездные частицы вместе с внешним магнитным полем проникают немножко внутрь гелиосферы. Получается, что граница гелиопаузы не очень тонкая, там есть какие-то структуры с заметной толщиной.

У «Вояджера-2» все было наоборот: в его случае гелиопауза была достаточно тонкой, он ее пересек меньше чем за сутки, а снаружи от нее он обнаружил поток частиц солнечного происхождения, что было установлено по их энергиям, которые оказались ниже ожидаемых.

То есть рядом с «Вояджером-1» межзвездные частицы двигались внутри гелиопаузы, а «Вояджер-2» заметил солнечные частицы снаружи. Это все данные прямых измерений. Их интерпретация происходит с помощью модельных расчетов, но в этих работах этого нет, они посвящены исключительно измерениям.

Есть что-то еще из полученных данных, что не удается воспроизвести в моделях?

Первый вопрос возник еще после «Вояджера-1» и стоит до сих пор, он заключается в удаленности гелиопаузы. Все имеющиеся модели предсказывают бо́льшее расстояние до этой границы, чем померил «Вояджер». То есть она оказалась существенно ближе, чем предполагалось. Это было еще одним источником сомнений в реальности пересечения гелиопаузы «Вояджером-1». «Вояджер-2» подтвердил результаты собрата и сделал выводы надежнее, так как у него работают приборы, напрямую измеряющие параметры плазмы. Они показали примерно одинаковое расстояние около 120 астрономических единиц, а ожидалось 140-150.

Второе — это, конечно, параметры межзвездной среды. То, что «Вояджер-2» точно измерил характеристики солнечного ветра при приближении к гелиопаузе и магнитное поле сразу за ней — это уникальная информация, которую нужно анализировать и сравнивать с моделями. Существующие модели всего не объясняют. Обычно они хорошо воспроизводят отдельный аспект: например, только магнитное поле или только скорости. Пока что модели, описывающей весь массив данных, нет.

Суммируя собранные аппаратами данные, как можно сформулировать полученные результаты?

Самое существенное: «Вояджер-2» пересек гелиопаузу и подтвердил, что она существует, что она находится примерно на том же расстоянии, что указывал «Вояджер-1» до этого. Важно понимать, что в случае «Вояджера-1» были сомнения в реальности преодоления данного рубежа. Вместе с тем теперь таких опасений нет, так как на борту «Вояджера-2» работает прибор, который напрямую меряет параметры окружающей среды. Мы узнали непосредственно свойства плазмы сразу за гелиопаузой — магнитное поле, концентрацию и температуру. Также мы получили точные данные о параметрах плазмы перед гелиопаузой, которые «Вояджер-1» не мог собрать из-за поломки оборудования.

Эти измерения уникальны, хотя бы потому, что раньше ничего подобного у нас не было и еще очень много лет не будет.

Тимур Кешелава, Сергей Кузнецов