Солнце не просто согревает Землю, делая ее пригодной для жизни. Его влияние простирается гораздо дальше, охватывая огромную область пространства, которую ученые называют гелиосферой. По оценкам ученых, гелиосфера в сто раз больше расстояния от Земли до Солнца.
В чем же секрет этой Солнечной империи? Солнце, будучи звездой, непрерывно испускает поток плазмы – высокоэнергетического ионизированного газа, – известный как солнечный ветер. Помимо этого постоянного потока, Солнце время от времени выбрасывает мощные сгустки плазмы, называемые корональными выбросами массы (именно они раскрашивают небо полярным сиянием), а также вспышки света и энергии – солнечные вспышки.
Плазма, вырывающаяся из Солнца, распространяется в космосе вместе с солнечным магнитным полем. Вместе они формируют гелиосферу, окруженную межзвездной средой – смесью плазмы, нейтральных частиц и пыли, заполняющей пространство между звездами. Астрофизики, такие как я, стремятся понять природу гелиосферы и ее взаимодействие с межзвездной средой.
Внутри гелиосферы вращаются все восемь известных планет Солнечной системы, астероидный пояс между Марсом и Юпитером и пояс Койпера – скопление небесных тел за орбитой Нептуна, включая карликовую планету Плутон. Гелиосфера настолько огромна, что объекты пояса Койпера находятся ближе к Солнцу, чем к ее внешней границе.
Щит гелиосферы
Взрывы далеких звезд выбрасывают в межзвездное пространство огромное количество радиации в виде высокоэнергетических частиц, называемых космическими лучами. Эти лучи опасны для живых организмов и могут повреждать электронные устройства и космические аппараты. Атмосфера Земли защищает жизнь от воздействия космической радиации, но еще до нее на страже стоит сама гелиосфера, служащая щитом от большей части межзвездной радиации.
Помимо космических лучей, в гелиосферу из межзвездной среды постоянно проникают нейтральные частицы и пыль. Они могут влиять на околоземное пространство и даже на то, как солнечный ветер достигает Земли. Сверхновые звезды и межзвездная среда, возможно, также сыграли свою роль в зарождении жизни и эволюции человека на Земле. Некоторые ученые предполагают, что миллионы лет назад гелиосфера столкнулась с холодным, плотным облаком частиц в межзвездной среде, что привело к ее сжатию и временному “оголению” Земли перед лицом межзвездного пространства.
Загадка формы
Удивительно, но ученые до сих пор точно не знают, какую форму имеет гелиосфера. Модели варьируются от сферической до кометной и даже круассаноподобной. Предполагаемые размеры гелиосферы различаются в сотни и тысячи раз.
Однако ученые определили направление движения Солнца как “носовую” часть гелиосферы, а противоположное направление – как “хвостовую”. Предполагается, что “нос” гелиосферы находится ближе всего к гелиопаузе – границе между гелиосферой и межзвездной средой.
Ни один космический аппарат пока не смог взглянуть на гелиосферу извне или взять пробы межзвездной среды. Это позволило бы ученым больше узнать о форме гелиосферы и ее взаимодействии с межзвездной средой – пространством за ее пределами.
Voyager: путешествие за пределы
В 1977 году NASA запустило миссию Voyager: два космических аппарата, которые пролетели мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна во внешней части Солнечной системы. Ученые определили, что после изучения газовых гигантов аппараты пересекли гелиопаузу и вышли в межзвездное пространство в 2012 и 2018 годах соответственно.
Хотя Voyager 1 и 2 – единственные аппараты, которые (возможно) пересекли гелиопаузу, они давно превзошли запланированный срок службы. Их инструменты постепенно выходят из строя или отключаются, и они больше не могут передавать все необходимые данные как раньше.
Эти аппараты были созданы для изучения планет, а не межзвездной среды. У них нет нужных инструментов для проведения всех необходимых измерений. Вот тут-то и появляется идея миссии межзвездного зонда.
Межзвездный зонд: взгляд в будущее
Учитывая огромные размеры гелиосферы, даже с гравитационной помощью массивной планеты, такой как Юпитер, зонду понадобятся десятилетия, чтобы достичь ее границы. Космические аппараты Voyager больше не смогут передавать данные из межзвездного пространства задолго до того, как межзвездный зонд покинет гелиосферу.
После запуска, в зависимости от траектории, зонду потребуется около 50 лет или больше, чтобы достичь межзвездной среды. Это означает, что чем дольше NASA откладывает запуск, тем дольше ученые будут оставаться без данных из внешней гелиосферы и межзвездной среды.
NASA рассматривает возможность разработки межзвездного зонда. Этот зонд будет измерять плазму и магнитные поля в межзвездной среде и получать изображения гелиосферы извне. В рамках подготовки агентство запросило мнение более 1000 ученых о концепции миссии.
В первоначальном отчете рекомендовалось, чтобы зонд двигался по траектории, отклоняющейся от “носа” гелиосферы примерно на 45 градусов. Эта траектория частично повторяла бы путь Voyager, но при этом зонд посетил бы и новые области космоса.
Однако такой маршрут позволил бы зонду увидеть гелиосферу только под определенным углом и не позволил бы исследовать “хвост” – область, о которой ученые знают меньше всего. Предполагается, что в “хвосте” плазма гелиосферы смешивается с плазмой межзвездной среды.
Это происходит благодаря процессу, называемому магнитным пересоединением, который позволяет заряженным частицам из межзвездной среды проникать в гелиосферу. Подобно нейтральным частицам, попадающим через “нос”, эти частицы влияют на космическую среду внутри гелиосферы.
В исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, мы с коллегами оценили шесть потенциальных направлений запуска, от “носа” до “хвоста”.
Мы обнаружили, что траектория, пересекающая “бок” гелиосферы в направлении “хвоста”, даст наилучшее представление о ее форме. Такой маршрут предоставил бы ученым уникальную возможность изучить совершенно новую область пространства внутри гелиосферы.
Покидая гелиосферу и выходя в межзвездное пространство, зонд получил бы вид на гелиосферу снаружи под углом, который дал бы ученым более точное представление о ее форме, особенно в спорной области “хвоста”.
В конечном итоге, в каком бы направлении ни был запущен межзвездный зонд, полученные им данные будут бесценными и поистине астрономически важными.
Сара А. Спитцер, научный сотрудник в области климатических и космических наук и техники, Мичиганский университет.
Читайте также: Ледниковый период на Земле: виноваты ли межзвездные облака?
