Давление на границах Солнечной системы превысило все прогнозы

Схематическое изображение строения гелиосферы. Перевод "Вести.Наука".

Иллюстрация NASA/IBEX/Adler Planetarium.

Положение зондов во время прихода GMIR. Перевод Вести.Наука.

Иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith.

"Вояджеры", единственные космические аппараты, передающие сигнал из межзвёздного пространства, подарили учёным ещё одну загадку. Астрономы измерили давление и скорость звука у границ Солнечной системы и заключили, что мы не знаем об этих рубежах чего-то важного. Так, давление оказалось существенно выше, чем предполагали специалисты.

Открытие описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal учёными из трёх научных центров США.

Поясним, что космос – это не абсолютная пустота. Так, Солнечная система заполнена солнечным ветром. Это поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов с примесью ядер гелия и других элементов), непрерывно испускаемый нашей звездой. Конечно, концентрация этой плазмы на много порядков ниже, чем у воздуха в атмосфере Земли. Поэтому по сравнению с привычными нам условиями это практически пустота. Но и такая разреженная среда проводит звук и оказывает давление на окружающие предметы.

Напомним, что "Вояджер-1" и "Вояджер-2" были запущены в 1977 году. Несмотря на почтенный возраст, аппараты всё ещё поддерживают связь с Землёй, в чём инженеры им старательно помогают. В 2012 году "Вояджер-1", а в 2018 году "Вояджер-2" достигли гелиопаузы. Это, напомним, фронт столкновения потока солнечного ветра с межзвёздной средой. Он расположен примерно в сто раз дальше от Солнца, чем Земля, и более чем вдвое дальше, чем Плутон.

Гелиопауза – это граница гелиосферы, то есть области, из которой солнечный ветер вытесняет межзвёздный газ. Многие астрономы отождествляют гелиосферу с Солнечной системой. Таким образом, "Вояджеры" являются первыми и пока единственными аппаратами, передающими на Землю научные данные, собранные в межзвёздном пространстве.

По этой причине любой полученный от "Вояджеров" бит уникален. Однако новое открытие выделятся даже из этого ряда. Дело в том, что оно получено благодаря фантастическому стечению обстоятельств.

Положение зондов во время прихода GMIR. Перевод "Вести.Наука".

Всего через несколько месяцев после того, как "Вояджер-1" покинул Солнечную систему, его догнал прощальный привет Солнца в виде глобальной объединённой области взаимодействия (по-английски global merged interaction region, или GMIR). Поясним, что это такое.

Солнечный ветер движется с разной скоростью. Есть так называемый медленный солнечный ветер, в районе Земли имеющий скорость около 400 километров в секунду. Есть и быстрый солнечный ветер, который несётся сквозь Вселенную вдвое быстрее. Наконец, существуют облака плазмы, время от время выбрасываемые нашей звездой, и они могут двигаться ещё быстрее.

Когда быстрый поток солнечного ветра догоняет более медленный, они сталкиваются. На границе между ними образуется регион сжатой плазмы с повышенной концентрацией и напряжённостью магнитного поля. Это и есть область взаимодействия.

Когда несколько таких столкновений происходят рядом друг с другом, их области взаимодействия сливаются, и образуется объединённая область взаимодействия. Ну а самые крупные из последних получают название глобальных.

Именно такая зона бурлящей плазмы накрыла сначала "Вояджер-2", а через четыре месяца и улетевший дальше от Солнца "Вояджер-1". При этом "Вояджер-1", как уже упоминалось, успел покинуть гелиосферу. А вот "Вояджер-2" находился в её пограничном слое, так называемом внутреннем гелиошисе (от английского heliosheath). Это область, где солнечный ветер имеет дозвуковую скорость (в отличие от всей остальной Солнечной системы, где она сверхзвуковая).

"Это событие произошло действительно в уникальный момент, потому что мы увидели его сразу после того, как "Вояджер-1" вошёл в местное межзвёздное пространство, – объясняет первый автор исследования Джейми Рэнкин (Jamie Rankin) из Принстонского университета.

Исследователи зафиксировали встречу GMIR с зондами благодаря тому, что их детекторы стали регистрировать гораздо меньше космических лучей, приходящих с просторов Галактики. Облако плотной плазмы попросту вытеснило посторонние заряженные частицы.

Зная расстояние между зондами и скорость их движения, астрономы вычислили скорость догнавшей их волны. В совокупности с данными других приборов это позволило вычислить давление и скорость звука в гелиошисе, то есть самой внешней оболочке Солнечной системы.

Оказалось, что звук там распространяется со скоростью 314 ± 32 километра в секунду, то есть почти в тысячу раз быстрее, чем в воздухе. Это объясняется тем, что заряженные частицы действуют друг на друга на большом расстоянии своими электрическими полями. Поэтому такой частице необязательно сталкиваться с соседом, чтобы передать ему колебание.

Давление же плазмы в гелиошисе оказалось равно 267 ± 55 фемтопаскалей. Назвать его громадным, конечно, не получается: атмосферное давление на Земле больше примерно в 1018, то есть в миллион триллионов, раз. Однако и такое давление астрономы никак не ожидали зафиксировать на пустынных окраинах Солнечной системы.

С этими данными связана ещё одна загадка. Когда GMIR догнала "Вояджер-2", находящийся в гелиошисе, поток космических лучей уменьшился со всех направлений (как и ожидали физики). Но у "Вояджера-1", находящегося в межзвёздной среде, поток космических лучей уменьшился только с направления, перпендикулярного направлению местного магнитного поля. Учёные пока не понимают, чем обусловлена эта разница.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как инженеры НАСА запустили главные двигатели "Вояджера-1" впервые за 37 лет.