Переосмысление формы нашей гелиосферы
AstroNews.ru - 18 Марта 2020 19:35:18
Вы живете в пузыре. Не метафорический пузырь - настоящий. Но не волнуйтесь. Вся планета, да и любая другая планета в Солнечной системе, если уж на то пошло, тоже находится в пузыре. И, возможно, мы просто обязаны этому пузырю самим своим существованием.
Космические физики называют этот пузырь гелиосферой. Это обширная область, простирающаяся более чем на два расстояния дальше расстояния от Солнца до Плутона, которая создает магнитное "силовое поле" вокруг всех планет, отклоняя заряженные частицы, которые в противном случае проникли бы в Солнечную систему и даже могли оказать влияние на вашу ДНК, если бы вам не повезло оказаться на их пути.
Гелиосфера обязана своим существованием взаимодействию заряженных частиц, вытекающих из Солнца (так называемый "солнечный ветер"), и частиц из-за пределов Солнечной системы. Хотя мы думаем, что пространство между звездами совершенно пустое, на самом деле оно занято тонким бульоном из пыли и газа от других звезд - живых звезд, мертвых звезд и еще не родившихся звезд. В среднем по всей галактике каждый объем пространства размером с кубик сахара содержит всего один атом, а область вокруг нашей Солнечной системы еще менее плотна.
Солнечный ветер постоянно давит на это межзвездное вещество. Но чем дальше вы удаляетесь от солнца, тем слабее становится этот напор. Через десятки миллиардов километров межзвездное вещество начинает отталкиваться назад. Гелиосфера заканчивается там, где эти две силы уравновешивают друг друга. Но где именно находится эта граница и как она выглядит?
Мерав Офер, профессор астрономии в колледже наук Бостонского университета и Центре космической физики, изучает эти вопросы уже почти 20 лет. А в последнее время ее ответы вызывают настоящий переполох.
Поскольку вся наша Солнечная система движется в межзвездном пространстве, гелиосфера, несмотря на свое название, на самом деле не является сферой. Космические физики уже давно сравнивают ее форму с кометой, с круглым "носом" на одной стороне и длинным хвостом, вытянутым в противоположном направлении.
Но в 2015 году, используя новую компьютерную модель и данные от космического аппарата "Вояджер-1", Офер и ее соавтор Джеймсом Дрейком из Мэрилендского университета пришли к другому выводу: они предположили, что гелиосфера на самом деле имеет форму полумесяца - она похожа на свежеиспеченный круассан. В этой модели "круассана" две струи идут вниз по течению от носа, а не один исчезающий хвост. «Это начало разговора о глобальной структуре гелиосферы», - говорит Офер.
Ее работа была не первой, в которой предполагалось, что гелиосфера была чем-то иным, нежели кометообразная, указывает она, но это дало повод для новых дебатов. «Это было очень спорным», говорит она. «На каждой конференции меня опровергали, но я держалась во всеоружии».
Затем, через два года после начала дебатов о "круассане", показания космического аппарата "Кассини", который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, предложил еще одно видение гелиосферы. Ученые миссии Кассини сделали вывод, что частицы, отражающиеся от границы гелиосферы и коррелирующие с ионами, измеряемыми космическим аппаратом-близнецом Вояджер, пришли к выводу, что гелиосфера на самом деле почти круглая и симметричная: ни комета, ни круассан, а больше похожа на мяч. Их результат был столь же спорным, как и модель круассана. «Вам не легко принимать такого рода изменения», - говорит Том Кримигис, который проводил эксперименты с данными Кассини и Вояджеров. «Все научное сообщество, работающее в этой области, более 55 лет предполагало, что у гелиосферы есть кометный хвост».
Теперь Офер, Дрейк и их коллеги Ави Леб из Гарвардского университета и Габор из Мичиганского университета разработали новую трехмерную модель гелиосферы, которая могла бы совместить "круассан" с пляжным мячом. Их работа была опубликована в журнале Nature Astronomy 16 марта.
В отличие от большинства предыдущих моделей, которые предполагали, что заряженные частицы в пределах Солнечной системы имеют одну и ту же среднюю температуру, новая модель разбивает частицы на две группы. Во-первых, это заряженные частицы, поступающие непосредственно от солнечного ветра. Во-вторых, это то, что космические физики называют «поглощением» ионов. Это частицы, которые попали в солнечную систему в электрически нейтральной форме - поскольку они не отклоняются магнитными полями, нейтральные частицы могут "просто войти", говорит Офер, - но затем их электроны были выбиты.
Космический аппарат New Horizons, который сейчас исследует пространство за пределами Плутона, показал, что эти частицы становятся в сотни или тысячи раз горячее обычных ионов солнечного ветра, поскольку они переносятся солнечным ветром и ускоряются его электрическим полем. Но только моделируя температуру, плотность и скорость двух групп частиц по отдельности, исследователи обнаружили их чрезмерное влияние на форму гелиосферы.
Эта форма, согласно новой модели, фактически имеет нечто общее между круассаном и сферой. Назовите это сдувшимся пляжным мячом или луковичным круассаном: в любом случае, похоже, что это то, о чем могут договориться как команда Офер, так и исследователи Кассини.
Новая модель выглядит совсем не так, как классическая модель кометы. Но на самом деле они могут быть более похожи, чем кажутся, говорит Офер, в зависимости от того, как именно вы определяете край гелиосферы. Подумайте о преобразовании черно-белой фотографии в оттенки серого: конечное изображение во многом зависит от того, какой именно оттенок серого вы выберете в качестве разделительной линии между черным и белым.
Так зачем же беспокоиться о форме гелиосферы? Исследователи, изучающие экзопланеты- планеты вокруг других звезд, - очень заинтересованы в сравнении нашей гелиосферы с другими. Может ли солнечный ветер и гелиосфера быть ключевыми ингредиентами в рецепте жизни? "Если мы хотим понять нашу окружающую среду, нам лучше понять всю эту гелиосферу", - говорит Лоеб, сотрудник Мерав Офер из Гарварда.
А еще есть материя из межзвездных частиц, которые разрушают нашу ДНК. Исследователи все еще работают над тем, что именно они означают для жизни на Земле и на других планетах. Некоторые думают, что они действительно могли бы помочь управлять генетическими мутациями, которые привели к такой жизни, какая есть в данный момент, говорит Леб. "В нужном количестве они вносят изменения, мутации, которые позволяют организму развиваться и становиться более сложным", - говорит он. Но доза разделят яд и лекарство. Когда имеешь дело с жизнью, какой мы ее знаем, всегда существует хрупкое равновесие. Слишком много хорошего - это плохо, - говорит Лоеб.
Хотя модели кажутся сходящимися, они все еще ограничены дефицитом данных от внешних областей Солнечной системы. Именно поэтому такие исследователи, как Офер, надеются побудить НАСА запустить межзвездный зонд следующего поколения, который прорежет путь через гелиосферу и непосредственно обнаружит ионы вблизи периферии гелиосферы. До сих пор только космические аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2" прошли эту границу, но они стартовали более 40 лет назад, неся инструменты более древней эпохи, которые были разработаны для выполнения другой работы. Сторонники миссии, базирующиеся в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, говорят, что новый зонд может стартовать где-то в 2030-х годах и начать исследовать край гелиосферы через 10 или 15 лет после этого.
"С помощью межзвездного зонда мы надеемся решить по крайней мере некоторые из бесчисленных загадок, которые начали раскрывать Вояджеры", - говорит Офер. И это, по ее мнению, стоит того, чтобы подождать.