Представление художника о гелиосфере, сфере влияния Солнца в космосе. О реальной форме гелиосферы известно немного. Фото предоставлено: НАСА
Солнце согревает землю и делает ее пригодной для жизни людей и животных. Но это еще не все, поскольку оно затрагивает гораздо большую площадь космоса. Гелиосфера, область космического пространства, на которую влияет Солнце, более чем в сто раз превышает расстояние от Солнца до Земли.
Солнце — это звезда, которая постоянно излучает постоянный поток плазмы — ионизированного газа высокой энергии — называемый солнечным ветром. В дополнение к постоянному солнечному ветру Солнце также иногда испускает всплески плазмы, называемые корональными выбросами массы, которые могут способствовать возникновению полярных сияний, а также всплески света и энергии, называемые вспышками.
Плазма, исходящая от Солнца, расширяется в пространстве вместе с магнитным полем Солнца. Вместе они образуют гелиосферу в окружающей их местной межзвездной среде — плазму, нейтральные частицы и пыль, заполняющие пространство между звездами и соответствующими астросферами. Гелиофизики вроде меня хотят понять гелиосферу и ее взаимодействие с межзвездной средой.
Восемь известных планет Солнечной системы, пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера — группа небесных тел за Нептуном, включающая планетоид Плутон — все находятся в гелиосфере. Гелиосфера настолько велика, что объекты пояса Койпера вращаются ближе к Солнцу, чем на ближайшей границе гелиосферы.
Защита гелиосферы
Когда далекие звезды взрываются, они испускают большое количество радиации в межзвездное пространство в виде частиц высокой энергии, называемых космическими лучами. Это космическое излучение может быть опасным для живых организмов и может повредить электронные устройства и космические корабли.
Атмосфера Земли защищает жизнь на планете от воздействия космических лучей, но кроме того, сама гелиосфера выступает космическим щитом от большей части межзвездной радиации.
Помимо космических лучей в гелиосферу устойчиво поступают также нейтральные частицы и пыль из местной межзвездной среды. Эти частицы могут повлиять на пространство вокруг Земли и даже изменить путь солнечного ветра, достигающего Земли.
Сверхновые и межзвездная среда также могли повлиять на возникновение жизни и эволюцию человека на Земле. Некоторые исследователи полагают, что миллионы лет назад гелиосфера вступила в контакт с холодным плотным облаком частиц межзвездной среды, в результате чего гелиосфера сжалась и подвергла Землю воздействию местной межзвездной среды.
Представление художника о гелиосфере и ее месте в местной межзвездной среде и Млечном Пути. Межзвездный зонд может путешествовать дальше, чем любой предыдущий космический корабль, и помочь ученым поближе взглянуть на нашу гелиосферу – влияние Солнца в космосе – снаружи. Фото предоставлено: JHU/APL
Неизвестная форма
Но ученые на самом деле не знают, какова форма гелиосферы. Модели варьируются от сферических до кометных и круассановых. Величина этих предсказаний варьируется в сотни и тысячи раз в зависимости от расстояния от Солнца до Земли.
Однако ученые определили направление движения Солнца как «направление носа», а противоположное направление — как «направление хвоста». Направление носа должно быть кратчайшим расстоянием до гелиопаузы — границы между гелиосферой и местной межзвездной средой.
Ни один зонд никогда не мог хорошо рассмотреть гелиосферу снаружи или должным образом отобрать образцы местной межзвездной среды. Это могло бы рассказать ученым больше о форме гелиосферы и ее взаимодействии с местной межзвездной средой, космической средой за пределами гелиосферы.
Пересечение гелиопаузы на «Вояджере».
В 1977 году НАСА запустило миссию «Вояджер»: два ее космических зонда пролетели мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна во внешней Солнечной системе. Ученые установили, что после наблюдения этих газовых гигантов в 2012 и 2018 годах соответственно зонды пересекли гелиопаузу по отдельности и вошли в межзвездное пространство.
Хотя «Вояджер-1» и «Вояджер-2» — единственные зонды, которые когда-либо потенциально пересекали гелиопаузу, запланированная продолжительность их миссии уже давно превышена. Они больше не могут передавать необходимые данные, поскольку их инструменты постепенно выходят из строя или отключаются.
Эти космические зонды были предназначены для исследования планет, а не межзвездной среды. Это означает, что у них нет подходящих инструментов для проведения всех измерений межзвездной среды или гелиосферы, которые нужны ученым.
Именно здесь может вступить в игру возможная межзвездная исследовательская миссия. Зонд, предназначенный для полета за пределы гелиопаузы, поможет ученым понять гелиосферу, наблюдая за ней снаружи.
Межзвездный зонд
Поскольку гелиосфера настолько велика, потребуются десятилетия, чтобы достичь ее предела, даже с помощью гравитации такой массивной планеты, как Юпитер.
Гелиосфера в представлении художника. Истинная форма неизвестна. Добавлены метки для направлений солнца, гелиопаузы, носа и хвоста, а также пример бокового направления. Считается, что зонды «Вояджер» превзошли гелиосферу во время своего многолетнего путешествия. Изображение предоставлено: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Космический корабль «Вояджер» больше не сможет предоставлять данные из межзвездного пространства задолго до того, как межзвездный зонд покинет гелиосферу. А после запуска зонду потребуется около 50 или более лет, чтобы достичь межзвездной среды, в зависимости от его траектории. Это означает, что чем дольше НАСА будет ждать запуска зонда, тем дольше ученым придется обходиться без миссий во внешней гелиосфере или местной межзвездной среде.
НАСА рассматривает возможность создания межзвездного зонда. Этот зонд будет проводить измерения плазмы и магнитных полей в межзвездной среде и получать изображения гелиосферы снаружи. Для подготовки НАСА попросило более 1000 ученых внести свой вклад в концепцию миссии.
В первоначальном отчете рекомендовалось перемещать зонд по траектории примерно в 45 градусов от направления верхней части гелиосферы. Эта траектория частично повторяет маршрут «Вояджера», достигая по пути некоторых новых регионов космоса. Это позволит ученым изучать новые регионы и повторно посетить некоторые частично известные регионы космоса.
Этот путь даст зонду лишь частичное представление о гелиосфере и не сможет увидеть гелиохвост — область, о которой ученые знают меньше всего.
По мнению ученых, гелиохвост — это место, где смешиваются плазма, составляющая гелиосферу, и плазма, составляющая межзвездную среду. Это происходит посредством процесса, называемого магнитным пересоединением, который позволяет заряженным частицам перетекать из местной межзвездной среды в гелиосферу. Подобно нейтральным частицам, попадающим через нос, эти частицы влияют на космическую среду внутри гелиосферы.
Однако в этом случае частицы заряжены и могут взаимодействовать с магнитными полями Солнца и планет. Хотя эти взаимодействия происходят на границах гелиосферы, очень далеко от Земли, они влияют на состав внутренней части гелиосферы.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, мы с коллегами рассмотрели шесть возможных направлений запуска, от кончика до хвоста. Мы обнаружили, что траектория, которая пересекает фланг гелиосферы по направлению к хвосту, обеспечивает наилучшее представление о форме гелиосферы, а не выходит у ее кончика.
Траектория в этом направлении предоставит ученым уникальную возможность изучить совершенно новую область космоса внутри гелиосферы. Когда зонд покинет гелиосферу и войдет в межзвездное пространство, он будет рассматривать гелиосферу снаружи под углом, который даст ученым более точное представление о ее форме — особенно в спорной области хвоста.
Независимо от того, в каком направлении будет запущен межзвездный зонд, научные знания, которые он в конечном итоге доставит, будут бесценными и астрономическими в прямом смысле этого слова.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
