Интерфейс космических стихий

Качественная картина области столкновения солнечного ветра и потока межзвездного газа.
Фото NASA

В 1977 году в США были запущены космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Цель, которая ставилась в этих космических программах, – исследование внешних областей Солнечной системы, включая далекие планеты, и физических процессов, происходящих в солнечном ветре на больших расстояниях от нашего светила. Для мировой науки это большое событие само по себе: во-первых, впервые земной космический аппарат ушел на такие большие расстояния от Солнца; во-вторых, даже с таких гигантских расстояний он продолжает передавать научную информацию. Последнее обусловлено тем, что на аппаратах «Вояджер» установлены радиоизотопные термоэлектрические генераторы – на таких расстояниях солнечные батареи становятся неэффективными.

Важный аспект космической одиссеи «Вояджеров» – исследования, связанные с нашим пониманием физических процессов, происходящих в так называемой гелиосфере, или области, заполненной веществом, истекающим из Солнца. Минувшим летом «Вояджер-1» как раз и достиг ударной волны TS (termination shock), которая образуется в солнечном ветре при его торможении на межзвездном газе. Эта зона, носящая название гелиопаузы, – своеобразная «официальная» граница Солнечной системы, дальше – никакого солнечного ветра, только межзвездный газ.

Теоретические представления об этой области космического пространства были заложены почти 40 лет назад отечественными учеными (первая работа опубликована в журнале «Доклады АН СССР», т. 194, № 1, еще в 1970 году). В окончательном виде модель обтекания солнечного ветра сверхзвуковым потоком газа межзвездной среды была создана в лаборатории «Физической газовой динамики» Института проблем механики РАН и на механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.

Напомним, что солнечным ветром называется истекающий из Солнца почти радиальный поток заряженных частиц, в основном электронов и протонов (полностью ионизованная водородная плазма), скорость которого становится намного больше скорости звука уже на орбите Земли.

Созданная отечественными учеными модель стала основой для интерпретации экспериментальных данных, получаемых при помощи космических аппаратов, которые изучают внешние области солнечного ветра («Прогноз», «Вояджер», «Пионер», «Хаббл Спейс Телескоп», «СОХО», «Улисс» и др.). Многие ее предсказания были блестяще подтверждены экспериментальными данными. Две бездны, несущиеся навстречу друг другу с огромными скоростями, – поток солнечного ветра и поток межзвездной среды (их скорости в среднем равны 400 км/сек и 26 км/сек соответственно), – столкнувшись, образуют пространственную структуру, которая имеет довольно сложный характер.

Основной элемент модели – образование довольно протяженной области (интерфейса или, в английской терминологии, heliosheath) сильного влияния друг на друга солнечного ветра и потока газа межзвездной среды. Главное, что эта область пространства ограничена – как воздушная прослойка оконного переплета ограничена стеклянными поверхностями – двумя ударными волнами: внешней ударной волной торможения

сверхзвукового потока межзвездной среды BS (от английского bow shock) и внутренней ударной волной торможения солнечного ветра TS. Ударная волна – это очень тонкая область (практически поверхность), в которой резко уменьшается скорость и возрастают температура и плотность газа. Предсказанная моделью толщина интерфейса оказалась равной примерно 200 а.е. (1 а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца – примерно 150 млн. км).

Но если продолжить аналогию с оконным стеклопакетом, то можно говорить, что космический интерфейс – это двухслойный стеклопакет. Дело в том, что область интерфейса делится на две подобласти особой поверхностью – гелиопаузой HP (от английского heliopause). Нами было предсказано, что гелиопауза играет роль своеобразной мембраны, разделяющей заряженную компоненту (электроны и протоны) потока газа межзвездной среды и потока солнечного ветра (внутренняя часть этой «мембраны» обычно и называется гелиосферой). Само существование гелиопаузы оказывает заметное влияние на обогащение Солнечной системы различными атомами и молекулами, которые движутся из межзвездной среды (например, атомами водорода Н и гелия Не).

Естественно, что в последнее время ученых волновал вопрос о возможности вхождения аппарата «Вояджер-1» в предсказанную теоретически область интерфейса. Другими словами, все ждали экспериментального подтверждения, что космический аппарат пересечет фронт внутренней ударной волны TS. В настоящее время «Вояджер-1» находится на расстоянии около 95 а.е. от Солнца, а установленные на нем приборы тем не менее продолжают передавать научную информацию на Землю. (Чтобы лучше почувствовать пространственные масштабы, на которых происходят описываемые события, заметим, что наиболее удаленная от Солнца планета Плутон находится на расстоянии 39,44 а.е.)

И вот на конференции Американского геофизического общества, которая проходила в Новом Орлеане в конце мая 2005 года, научный руководитель проекта «Вояджер-1 и 2» Эдвард Стоун (Калифорнийский технологический институт) сообщил, что на основе глубокого анализа экспериментальных данных, полученных на аппарате «Вояджер-1», исследователи пришли к выводу, что он вошел в область интерфейса в декабре 2004 года. При этом американские ученые считают, что внутренняя ударная волна находилась на расстоянии в 94 а.е., предсказанном российскими учеными в теоретической модели. Основным доказательством пересечения внутренней ударной волны американские ученые считают наблюдаемое магнитометром, установленным на «Вояджере-1», резкое увеличение (в 2,5 раза) межпланетного магнитного поля. Это должно согласоваться с резким уменьшением скорости солнечного ветра и его разогревом.

Впрочем, непосредственно торможение потока солнечного ветра и повышение его температуры можно будет зафиксировать только приборами, которые установлены на аппарате «Вояджер-2». Он в настоящее время находится на существенно меньшем гелиоцентрическом расстоянии, чем 94 а.е. Предстоящее в ближайшее время возможное вхождение аппарата «Вояджер-2» в область интерфейса может окончательно разрешить неопределенности, которые имеются в интерпретации некоторых измерений на аппарате «Вояджер-1» (например, необычное возрастание интенсивности космических лучей после предполагаемого пересечения ударной волны).

Исследователи надеются, что запаса энергии на «Вояджере-1» достаточно, чтобы передавать информацию вплоть до 2020 года, так что можно ожидать сообщений о новых открытиях, сделанных при помощи этого космического аппарата.

Согласно астрофизическим наблюдениям, Солнечная система погружена в локальное межзвездное облако и находится на его краю. Положение интерфейса сильно зависит от параметров этого локального облака (в частности, от его скорости относительно Солнечной системы и от плотности его газа). Выход Солнечной системы из локального облака может существенно изменить положение интерфейса. Например, параметры потока межзвездной среды могут стать такими, что планеты Солнечной системы окажутся погруженными в интерфейс, что существенно может изменить физические условия их существования. К счастью, это может произойти ориентировочно только через сотни тысяч лет.