Что там, на юге Солнечной системы?

0

Ночью 20 октября самолет L-1011 Stargazer поднялся на высоту около 12 километров, где от него отсоединилась ракета-носитель Pegasus XL. В течение нескольких минут от ракеты-носителя последовательно отделились три ступени, а затем в космос устремилось устройство, размер которого не превышает колеса автобуса.

Устройство это носит название IBEX (Interstellar Boundary Explorer – Исследователь границ межзвездного пространства) и предназначено для изучения дальних рубежей Солнечной системы. IBEX должен определить, где заканчивается наш космический дом, и что происходит в приграничной зоне. Прежде чем подробнее описать миссию IBEX, определимся, что же ученые подразумевают под границей Солнечной системы.

Где не дует солнечный ветер

Начнем с того, что граница у Солнечной системы не одна. Астрономы расходятся в терминологии, но мы будем придерживаться классификации NASA. За появление всех границ «ответственен» солнечный ветер – поток заряженных частиц, исходящий от нашей звезды. В основном солнечный ветер состоит из полностью или частично ионизированных водорода и гелия (вещество, находящееся в таком состоянии, получило название плазмы), которые «летят» со средней скоростью около 450 километров в секунду.

Космическое пространство, где «дует» солнечной ветер, является пустым только на первый взгляд. На самом деле оно заполнено частицами газа и пыли. Быстро перемещающаяся плазма солнечного ветра «расталкивает» эти частицы. Вокруг Солнца образуется «пузырь», заполненный рожденным звездой материалом и оставшимся межзвездным веществом. Этот «пузырь» носит название гелиосферы. Гелиосфера имеет неидеально сферическую форму (точные причины этого астрономам только предстоит узнать) и ее ближайшая граница находится на расстоянии около 90 астрономических единиц (а.е. – одна астрономическая единица – соответствует расстоянию от Солнца до Земли).

По мере того, как частицы солнечного ветра удаляются от звезды, им становится все труднее сопротивляться давлению межзвездного вещества. Постепенно солнечный ветер замедляется, а составляющие его частицы начинают изменять направление своего движения и сбиваться в кучу. Эта область получила название границы ударной волны (termination shock).

Читатель может легко создать модель границы ударной волны у себя дома. Для этого надо пойти на кухню и открыть кран с водой. Вокруг точки, где струя ударяется о поверхность раковины, образуется водяной круг. Внутри этого круга вода «разбегается» по его радиусам. На границах круга образуется область, где молекулы воды прекращают прямолинейное движение, а высота водяного слоя увеличивается. Это – граница ударной волны.

Несмотря на растущее сопротивление, частицы солнечного ветра могут удалиться от Солнца еще на расстояние около 40 а.е. Преодолеть этот предел большинство из них уже не в силах. Область, где солнечный ветер превращается в штиль, отделяет межзвездную среду от вещества Солнечной системы и называется гелиопаузой (heliopause). Гелиопауза, которая имеет ассиметричное строение, вытянута относительно Солнца с севера на юг – возможно, под влиянием сверхслабых магнитных полей.

Приблизительно через 230 а.е. проходит еще одна граница Солнечной системы, образовавшаяся из-за ее движения вокруг центра нашей Галактики – Млечного Пути. Так называемая головная ударная волна (bow wave) образуется межзвездным веществом при столкновении с Солнечной системой (включая все описанные выше границы). Процесс, аналогичный образованию главной ударной волны, происходит перед носом движущегося по воде судна.

За рамками системы

Созданный специалистами NASA аппарат IBEX должен детально исследовать происходящие на границах Солнечной системы процессы. Он не будет подниматься ни к одной из них, так как для этого ему пришлось бы лететь долгие годы (так как одна астрономическая единица составляет 149,6 миллионов километров). IBEX будет работать на высоте около 320 тысяч километров – это примерно 5/6 расстояния от Земли до Луны. Для сравнения, высота орбиты Международной космической станции составляет около 240 километров.

Миссия IBEX продлится два года – за это время камеры станции сделают снимки пограничной области протяженностью в миллиарды километров, для которой характерны турбулентный газ и скрученные магнитные поля. Однако в случае успеха астрономы не исключают, что миссия аппарата, стоимостью около 165 миллионов долларов (совсем немного, по меркам NASA), может быть продлена. Несмотря на небольшой бюджет, ученые многого ждут от нового спутника.

К настоящему моменту в распоряжении ученых есть только сведения, переданные межпланетными станциями «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Так, в 2004 году «Вояджер-1», запущенный в 1977, достиг так называемой границы ударной волны (termination shock), в которой частицы солнечного ветра начинают замедляться до скоростей ниже сверхзвуковых и сталкиваются с веществом из дальнего космоса. В 2007 «Вояджер-2» пересек эту границу и направился к гелиопаузе. При сохранении текущей скорости «Вояджер-2» достигнет края гелиосферы в 2010 году, однако к 2020 году связь со станцией прекратится по причине износа ее энергетических генераторов.

Что таится за теми границами, которых достигает солнечный ветер? Пожалуй, это самый интересный вопрос, на который только предстоит ответить ученым. А для начала попробуем разобраться с этим феноменом.

Увидеть то, чего не понимаем

Солнечный ветер – это потоки плазмы, которые извергает из себя наше светило. Они представляют собой «ободранный» водород, то есть голые протоны и электроны. Солнечный ветер даже можно увидеть. Во время затмения вокруг звезды можно наблюдать корону, которая исходит от светила своеобразными хлопьями. Это самое начало солнечного ветра, его основная, нижняя часть. Потом эти потоки газа удаляются, разрежаются, и мы уже не видим плазму. Тем не менее, она разлетается во все стороны.

В конце концов, эти потоки газа, исходящего от Солнца с очень большой скоростью – порядка 300–400 километров в секунду, – сталкиваются с газом, который заполняет всю нашу галактику. В месте их столкновения образуется оболочка Солнечной системы, состоящая, по крайней мере, из двух ударных волн – внешней и внутренней. Между ними зажат газ, уплотнившийся из-за постоянного давления с обеих сторон. Именно эту грань и преодолели американские спутники. При этом они столкнулись с явлением, напоминающим волны во время морского прилива и отлива. Если первый «Вояджер» пересек termination shock всего один раз, то второму повезло (или не повезло) больше. В течение пары дней ударная волна ветра настигла его не менее пяти раз.

Однако «Вояджеры», запущенные в разные, почти противоположные стороны Солнечной системы, все же добились потрясающего результата. Они доказали, что границы нашей системы не ровные, а как бы смятые. Ученые объясняют это явление тем, что галактика сама по себе неоднородна. В ней есть очень разреженные области, где почти полная пустота. В них сфера солнечного ветра расширяется. А есть области плотного газа. Когда Солнечная система в них попадает, то сфера резко сжимается.

Чтобы понять, как выглядит постоянно меняющаяся Солнечная система извне, можно вообразить воздушный шарик, попадающий в воду. Шарик сожмется и потеряет свой объем. Если же на него еще и нажать, он промнется в этом месте. Примерно так же ведет себя и оболочка Солнечной системы. Есть солнечный ветер, кроме того, есть межзвездная среда, в которую вся система погружена. Солнечный ветер и магнитное поле вытесняют межзвездную плазму в окрестности светила, где давление ветра больше давления межзвездной среды. То есть, надувается своеобразный пузырь, называемый гелиосферой. Его радиус – больше сотни астрономических единиц (расстояний от Земли до Солнца). Он включает в себя все планеты, и еще остается некоторое пространство.

До сих пор для ученых, более или менее подробно изучивших состав и поведение солнечного ветра, остается не до конца понятным, что собой представляет межзвездный ветер. В принципе это та же плазма, те же водород и гелий, из которых на 97-98 процентов состоит все космическое пространство. Вопрос в том, что содержат оставшиеся два-три процента. Узнав это, ученые смогут понять или хотя бы предположить, что представляла собой галактика в процессе формирования.

Что же касается спутника IBEX, то Дэвид Маккомас из Юго-западного исследовательского института (Southwest Research Institute), США, руководитель проекта, считает, что исследование пограничных районов Солнечной системы крайне важно для дальнейшего развития космонавтики. «Гелиопауза предохраняет нашу систему от проникновения вредоносного галактического излучения, которое, не будь этой защиты, сделало бы пилотируемые полеты невозможными», – говорит он. Один из участников проекта IBEX Эрик Кристиан лучше всех охарактеризовал его цели: «Мы собираемся увидеть то, чего не понимаем».

Технические характеристики IBEX

– Вес самого аппарата – 80 килограммов, вес аппарата вместе с топливом – 107 килограммов, вес вместе со всем оборудованием – 462 килограмма.

– Размер аппарата – 58,4 на 96,5 сантиметров.

– Детекторы IBEX способны улавливать энергетические нейтральные атомы с энергией от 10 электронвольт до 2 килоэлектронвольт (низкоэнергетические частицы) и от 300 электронвольт до 6 килоэлектронвольт (высокоэнергетические частицы).

«Дом Солнца»

Как известно, влияние Солнца распространяется  до тех расстояний, где прекращается его гравитационное воздействие и начинается влияние других звезд и всей массы нашей Галактики. Достоверных сведений о том, насколько это далеко, пока не имеется, хотя время от времени окрестности Солнца посещают долгопериодические кометы, движущиеся по сильно вытянутым орбитам. Каждая из таких комет подходит к Солнцу один раз в несколько сотен или даже тысяч лет. Например, самая яркая в ХХ веке комета Хейла — Боппа, которую хорошо было видно весь 1997 год, следующий раз пролетит возле Солнца лишь через 4000 лет.

Подготовила Мирослава Наумова

Поделиться.

Комментарии закрыты