Астрофизики разработали трехмерное представление внешней границы гелиосферы, используя информацию, полученную с космического аппарата IBEX. Для этого был использован метод, напоминающий космическую эхолокацию: в течение десяти лет зонд фиксировал высокоэнергетические нейтральные атомы, отраженные от этой области космоса и возвращающиеся в Солнечную систему.
Полученные данные, зафиксированные приборами зонда Interstellar Boundary Explorer (IBEX, «Исследователь межзвездных границ») опубликованы в журнале The Astrophysical Journal. Подготовку научной работы осуществили сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории, расположенной в США ( LANL), университетов Принстона, Нью-Хэмпшира, Монтаны и Юго-Западного научно-исследовательского института. Вклад в подготовку статьи внесли и эксперты из Университета Ваикато ( University of Waikato) и Центра космических исследований Польской академии наук ( CBK PAN).
Как отмечает ведущий автор исследования, Дэн Рейсенфелд ( Dan Reisenfeld), IBEX вел себя словно летучая мышь в пещере. Только вместо сонара или голоса животного использовался солнечный ветер. В течение целого цикла активности Солнца (с 2009 по 2019 год) аппарат измерял проносящийся мимо него в сторону межзвездного пространства поток частиц. И одновременно с этим пытался уловить возвращающиеся обратно атомы.
За пределами орбиты Нептуна, на расстоянии около 60 астрономических единиц (или девяти миллиардов километров), солнечный ветер вступает во взаимодействие с межзвездной плазмой. Этот процесс не только снижает скорость частиц, испущенных Солнцем, но и создает устойчивый поток высокоэнергетических нейтральных атомов ( ENA). Он довольно слаб, но различим, и, что наиболее важно, обладает ярко выраженной уникальностью — не встречается больше нигде, кроме гелиосферной мантии, ENA с искомыми характеристиками возникнуть не могут.
Передвижение солнечного ветра от звезды до гелиосферной мантии занимает от двух до шести лет. Точные измерения солнечной активности и потока ENA, сравнив эти два противоположных потока частиц, ученые впервые создали трехмерную карту границы гелиосферы. Зная скорость движения материи и время, затраченное на ее перемещение, можно легко определить пройденное ею расстояние.
Разрешающая способность разработанного американскими астрофизиками метода пока не вызывает особого впечатления. Граница гелиосферы в направлении, противоположном движению межзвездной плазмы, была установлена на расстоянии 120 астрономических единиц от Солнца. Однако, с противоположной стороны Солнечной системы, где гелиосфера формирует своего рода «хвост», ее границы пока не удалось определить. Согласно карте, она простирается до 350 астрономических единиц, но это максимальный диапазон действия «космического сонара» IBEX. Для уточнения карты потребуются дополнительные наблюдения.
Защитный пузырь гелиосферы
Наша родная звезда, Солнце, ежесекундно выбрасывает в окружающее пространство огромное количество фотонов различной энергии, а также приблизительно миллион тонн вещества. Этот выброс состоит преимущественно из электронов, протонов (ядер водорода) и альфа-частиц (ядер гелия), которые вместе образуют солнечный ветер. Мы можем опосредованно наблюдать его воздействие на земную атмосферу, когда видим полярные сияния.
В космическом пространстве этот поток частиц может преодолеть значительное расстояние, прежде чем столкнется с каким-либо объектом. Как правило, солнечный ветер взаимодействует с межзвездной плазмой. Это происходит приблизительно на расстоянии от 75 до 90 астрономических единиц от нашей звезды, в области, известной как граница ударной волны. В этом районе протоны, альфа-частицы и электроны, испущенные Солнцем, замедляются с 400 километров в секунду до величины, не превышающей 100 километров в секунду: скорость солнечного ветра снижается до дозвуковой.
Несмотря на необычное название, скорость звука – это четко определенный физический параметр, описывающий скорость распространения упругих волн, и даже в космическом пространстве ее можно вычислить. В гелиосфере, где наблюдается избыточное количество вещества, выбрасываемого Солнцем, средняя скорость звука достигает примерно 100 километров в секунду. Конкретное значение варьируется в зависимости от уровня активности звезды.
При резком замедлении вещества, движущегося со сверхзвуковой скоростью, запускается ряд значительных процессов. В отношении гелиосферы, расположенной за границей ударной волны ( Termination shock) располагается гелиосферная мантия, простирающаяся от 80 до 100 астрономических единиц от Солнца. В этом слое плазма подвергается сжатию, начинается ее турбулентное движение и возникают те самые ENA — электроны, отделившиеся от атомов и потерявшие энергию, присоединяются к ядрам водорода или гелия.
Но гелиосфера не ограничивается этим, ее внешний предел — гелиопауза. В этой области скорость солнечных частиц полностью уравновешивается скоростью межзвездной плазмы, и происходит их смешение. Эта плазма также является солнечным ветром, но испущенным другими звездами. Именно ее обнаружили астрофизики, используя данные, полученные от зонда IBEX — в гелиопаузе поток ENA снова падает. Ученые смогли это сделать впервые, хотя и не со всех сторон от Солнца.
Изучение гелиосферы имеет первостепенное значение для понимания формирования и развития планетных систем. Эта структура выполняет функцию защиты, ограждая нас от значительной части галактического излучения. Считается, что наличие гелиосферы создало необходимые условия для возникновения и эволюции сложной жизни на нашей планете.