Ученые разработали новое предсказание формы пузыря, окружающего нашу Солнечную систему, используя модель, разработанную на основе данных миссий НАСА.
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, касается формы этого пузыря, который путешествует в космосе, когда наше Солнце вращается вокруг центра нашей галактики. Традиционно ученые рассматривали гелиосферу как форму кометы с закругленным передним краем, называемым носом, и длинным хвостом, тянущимся сзади.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy в марте и представленное на обложке журнала за июль, предлагает альтернативную форму, в которой отсутствует этот длинный хвост: сдутый круассан.
Форму гелиосферы трудно измерить изнутри. Ближайший край гелиосферы находится более чем в десяти миллиардах миль от Земли. Только два космических корабля "Вояджер" непосредственно измерили эту область, оставив нам только две точки достоверных данных о форме гелиосферы.
Находясь вблизи Земли, мы изучаем нашу границу с межзвездным пространством, фиксируя и наблюдая за частицами, летящими к Земле. Это включает в себя заряженные частицы, которые приходят из отдаленных частей галактики, называемые галактическими космическими лучами, наряду с теми, которые уже были в нашей Солнечной системе, путешествуют к гелиопаузе и возвращаются обратно к Земле через сложную серию электромагнитных процессов. Их называют энергичными нейтральными атомами, и, поскольку они создаются путем взаимодействия с межзвездной средой, они действуют как полезные прокси для картирования края гелиосферы. Именно так миссия NASA Interstellar Boundary Explorer, или IBEX, изучает гелиосферу, используя эти частицы в качестве своего рода радара, 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, финансируемый NASA и NSF, в Бостонском университете, занимающийся решением этой проблемы.
В этой последней итерации модели Офера используются данные миссий НАСА по изучению планет, чтобы охарактеризовать поведение материала в космосе, который заполняет пузырь гелиосферы, и получить другой взгляд на ее границы. Миссия НАСА «Кассини» несла прибор, предназначенный для изучения частиц, захваченных магнитным полем Сатурна, который также проводил наблюдения за частицами, отскакивающими обратно к внутренней части Солнечной системы. Эти измерения аналогичны измерениям IBEX, но дают четкое представление о границе гелиосферы.
Кроме того, миссия НАСА «Новые горизонты» обеспечила измерения улавливаемых ионов, частиц, которые ионизируются в космосе, подхватываются и движутся вместе с солнечным ветром. Из-за своего особого происхождения из частиц солнечного ветра, исходящих от Солнца, пикап-ионы намного горячее, чем другие частицы солнечного ветра, и именно на этом факте основана работа Офера..
«Есть две жидкости, смешанные вместе. У вас есть один компонент, который очень холодный, и один компонент, который намного горячее, ионы захвата», - сказал Офер, профессор астрономии Бостонского университета. «Если у вас есть холодная жидкость и горячая жидкость, и вы поместите их в космос, они не будут смешиваться - они будут развиваться в основном по отдельности. Мы разделили эти два компонента солнечного ветра и смоделировали получившуюся трехмерную форму гелиосфера."
Рассмотрение компонентов солнечного ветра по отдельности в сочетании с более ранней работой Офера, использующей солнечное магнитное поле в качестве доминирующей силы в формировании гелиосферы, привело к созданию сдутой формы круассана с двумя струями, изгибающимися от центральной выпуклой части гелиосферы., и особенно без длинного хвоста, предсказанного многими учеными.
«Поскольку в термодинамике преобладают ионы-подхваты, все очень сферично. Но поскольку они покидают систему очень быстро после ударной волны завершения, вся гелиосфера сдувается», - сказал Офер.
Форма нашего щита
Форма гелиосферы - это больше, чем вопрос академического любопытства: гелиосфера действует как щит нашей Солнечной системы от остальной части галактики.
Энергетические события в других звездных системах, таких как сверхновые, могут ускорять частицы почти до скорости света. Эти частицы разлетаются во всех направлениях, в том числе и в нашу Солнечную систему. Но гелиосфера действует как щит: она поглощает около трех четвертей этих чрезвычайно энергичных частиц, называемых галактическими космическими лучами, которые должны проникнуть в нашу Солнечную систему..
Те, кто выживает, могут нанести ущерб. На Земле мы защищены магнитным полем и атмосферой нашей планеты, но технологии и астронавты 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 так, чтобы это было практично для космических путешествий. Гелиосфера - это главная защита космонавтов от галактических космических лучей, поэтому понимание ее формы и того, как это влияет на скорость галактических космических лучей, обрушивающихся на нашу Солнечную систему, является ключевым моментом при планировании исследования космоса роботами и людьми.
Форма гелиосферы также является частью головоломки для поиска жизни в других мирах. Пагубное излучение галактических космических лучей может сделать мир непригодным для жизни, чего в нашей Солнечной системе избежать из-за нашего сильного небесного щита. По мере того, как мы узнаем больше о том, как наша гелиосфера защищает нашу солнечную систему - и как эта защита могла меняться на протяжении всей истории солнечной системы - мы можем искать другие звездные системы, которые могут иметь аналогичную защиту. И частью этого является форма: наши гелиосферные двойники имеют форму длиннохвостой кометы, сдувшихся круассанов или что-то совершенно другое?
Какой бы ни была истинная форма гелиосферы, предстоящая миссия НАСА станет благом для разгадки этих вопросов: Межзвездный картографический и ускоренный зонд, или IMAP..
IMAP, запуск которого запланирован на 2024 год, будет отображать поток частиц, возвращающихся на Землю из границ гелиосферы. IMAP будет основываться на методах и открытиях миссии IBEX, чтобы пролить новый свет на природу гелиосферы, межзвездного пространства и того, как галактические космические лучи проникают в нашу Солнечную систему.
Научный центр DRIVE компании Opher стремится создать тестируемую модель гелиосферы ко времени запуска IMAP. Их предсказания формы и других характеристик гелиосферы - и того, как это отразится на частицах, возвращающихся от границы, - дадут ученым основу для сравнения с данными IMAP..