Все планеты нашей солнечной системы заключены в магнитный пузырь, вырезанный в космосе постоянно истекающим веществом Солнца, солнечным ветром. За пределами этого пузыря находится межзвездная среда – ионизированный газ и магнитное поле, заполняющее пространство между звездными системами в нашей галактике. Один вопрос, на который ученые пытались ответить в течение многих лет, – это форма этого пузыря, который движется в космосе, когда наше Солнце вращается вокруг центра нашей галактики. Традиционно ученые думали о гелиосфере как о форме кометы с закругленной передней кромкой, называемой носом, и длинным хвостом, тянущимся за ней.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy в марте и представленное на обложке журнала за июль, предлагает альтернативную форму, в которой отсутствует этот длинный хвост: спущенный круассан.
Форму гелиосферы сложно измерить изнутри.
Ближайший край гелиосферы находится на расстоянии более десяти миллиардов миль от Земли. Только два космических корабля "Вояджер" непосредственно измерили эту область, оставив нам только две точки наземных данных о форме гелиосферы.
С Земли мы изучаем нашу границу с межзвездным пространством, улавливая и наблюдая частицы, летящие к Земле. Сюда входят заряженные частицы, которые приходят из отдаленных частей галактики, называемые галактическими космическими лучами, наряду с теми, которые уже были в нашей солнечной системе, движутся к гелиопаузе и отражаются обратно к Земле посредством сложной серии электромагнитных процессов.
Их называют энергичными нейтральными атомами, и поскольку они создаются при взаимодействии с межзвездной средой, они действуют как полезный прокси для картирования края гелиосферы. Так миссия NASA Interstellar Boundary Explorer, или IBEX, изучает гелиосферу, используя эти частицы как своего рода радар, отслеживая границу нашей солнечной системы с межзвездным пространством.
Чтобы разобраться в этих сложных данных, ученые используют компьютерные модели, чтобы превратить эти данные в предсказание характеристик гелиосферы.
Мерав Офер, ведущий автор нового исследования, возглавляет научный центр DRIVE в Бостонском университете, финансируемый NASA и NSF.
Эта последняя итерация модели Офера использует данные планетарных научных миссий НАСА, чтобы охарактеризовать поведение материала в космосе, который заполняет пузырь гелиосферы, и получить новый взгляд на его границы. В миссии НАСА «Кассини» был установлен инструмент, предназначенный для изучения частиц, захваченных магнитным полем Сатурна, который также проводил наблюдения за частицами, отскакивающими обратно во внутреннюю часть Солнечной системы. Эти измерения аналогичны измерениям IBEX, но дают четкое представление о границе гелиосферы.
Кроме того, миссия NASA New Horizons предоставила измерения улавливаемых ионов, частиц, которые ионизируются в космосе, улавливаются и движутся вместе с солнечным ветром. Из-за того, что они происходят от частиц солнечного ветра, исходящих от Солнца, улавливаемые ионы намного горячее, чем другие частицы солнечного ветра, и именно от этого факта зависит работа Офера.
"Две жидкости смешаны вместе. У вас есть один очень холодный компонент и гораздо более горячий компонент – захватывающие ионы », – сказал Офер, профессор астрономии в Бостонском университете. "Если у вас есть холодная и горячая жидкости, и вы поместите их в космос, они не будут смешиваться – они будут развиваться в основном по отдельности.
Мы разделили эти две составляющие солнечного ветра и смоделировали полученную трехмерную форму гелиосферы."
Рассмотрение компонентов солнечного ветра по отдельности в сочетании с более ранней работой Офера с использованием солнечного магнитного поля в качестве доминирующей силы в формировании гелиосферы привело к получению сдутой формы круассана с двумя струями, изгибающимися от центральной выпуклой части гелиосферы, и, в частности, без длинный хвост, предсказанный многими учеными.
"Поскольку поглощающие ионы доминируют в термодинамике, все очень сферическое. Но поскольку они очень быстро покидают систему за пределами конечного шока, сдувается вся гелиосфера », – сказал Офер.
Форма нашего щита
Форма гелиосферы – это больше, чем вопрос академического любопытства: гелиосфера защищает нашу солнечную систему от остальной части галактики.
Энергетические события в других звездных системах, таких как сверхновая, могут ускорять частицы почти до скорости света.
Эти частицы разлетаются во всех направлениях, в том числе в нашу солнечную систему. Но гелиосфера действует как щит: она поглощает около трех четвертей этих чрезвычайно энергичных частиц, называемых галактическими космическими лучами, которые проникают в нашу солнечную систему.
Те, кто выживают, могут нанести ущерб. На Земле мы защищены магнитным полем и атмосферой нашей планеты, но технологии и космонавты в космосе или в других мирах уязвимы.
И электроника, и человеческие клетки могут быть повреждены воздействием галактических космических лучей, а поскольку галактические космические лучи несут так много энергии, их трудно заблокировать способом, который практичен для космических путешествий. Гелиосфера – основная защита космических кораблей от галактических космических лучей, поэтому понимание ее формы и того, как она влияет на скорость галактических космических лучей, падающих на нашу Солнечную систему, является ключевым фактором при планировании исследования космоса роботами и человеком.
Форма гелиосферы также является частью головоломки для поиска жизни в других мирах.
Повреждающее излучение галактических космических лучей может сделать мир непригодным для жизни, но наша солнечная система избежала этой участи из-за сильного небесного щита. По мере того, как мы узнаем больше о том, как наша гелиосфера защищает нашу Солнечную систему – и как эта защита могла изменяться на протяжении всей истории Солнечной системы – мы можем искать другие звездные системы, которые могли бы иметь аналогичную защиту.
И часть этого – форма: формы наших гелиосферных двойников – длиннохвостые кометы, спущенные круассаны или что-то еще??
Какой бы ни была истинная форма гелиосферы, предстоящая миссия НАСА станет благом для разгадки этих вопросов: зонд межзвездного картографирования и ускорения, или IMAP.
IMAP, запуск которого запланирован на 2024 год, будет отображать частицы, возвращающиеся на Землю из границ гелиосферы. IMAP будет основываться на методах и открытиях миссии IBEX, чтобы пролить новый свет на природу гелиосферы, межзвездного пространства и то, как галактические космические лучи проникают в нашу солнечную систему.
Научный центр Opher’s DRIVE стремится создать тестируемую модель гелиосферы как раз к запуску IMAP.
Их предсказания формы и других характеристик гелиосферы – и того, как это отразится на частицах, возвращающихся обратно от границы, – предоставят ученым основу для сравнения с данными IMAP.