НАСА смоделировало форму пузыря гелиосферы вокруг Солнечной системы и… она оказалась очень необычной (3 фото + 1 гиф)

Все планеты нашей Солнечной системы заключены в магнитный пузырь, прорезанный 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 годами, - 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-1" и "Вояджер-2" непосредственно измерили эту область, оставив нам только две точки наземных данных о форме гелиосферы.

С Земли ученые изучают нашу границу с межзвездным пространством, улавливая и наблюдая частицы, летящие к Земле. Сюда входят заряженные частицы, которые приходят из далеких частей галактики, называемые галактическими космическими лучами, вместе 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 заместитель для картирования края гелиосферы. Так миссия НАСА Interstellar Boundary Explorer, или IBEX, изучает гелиосферу, используя эти частицы как своего рода радар, отслеживая границу нашей солнечной системы с межзвездным пространством.

Чтобы понять эти сложные данные, ученые используют компьютерные модели, чтобы превратить эти данные в предсказание характеристик гелиосферы. Мерав Офер (Merav Opher), ведущий автор нового исследования, возглавляет научный центр DRIVE в Бостонском университете, финансируемый NASA и NSF, и сосредоточился на этой проблеме.

Эта последняя итерация модели Офера использует данные планетарных научных миссий NASA, 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, а также наблюдений за частицами, отскакивающими обратно во внутреннюю часть Солнечной системы. Эти измерения аналогичны измерениям IBEX, но дают четкое представление о границах гелиосферы.

Кроме того, миссия NASA New Horizons обеспечила 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.

«Есть две жидкости, смешанные вместе. У вас есть один очень холодный компонент и гораздо более горячий компонент - улавливающие ионы », - сказал Офер, являющийся также профессором 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 отдельно. 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, с отсутствием длинный хвост предсказан многими учеными.

«Поскольку поглощающие ионы доминируют в термодинамике, всегда преобладают сферические формы. Но из-за того, что [здесь] они очень быстро покидают систему после окончательной встряски, вся гелиосфера сдувается », - рассказал Офер.

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, что «выживают», могут сеять хаос. На Земле мы защищены магнитным полем и атмосферой нашей планеты, но технологии и космонавты в космосе или на других планетах уязвимы. Как электроника, так 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 - главная 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 моментом 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 - судьба, которой удалось избежать в нашей солнечной системе из-за нашего прочного небесного щита. По мере того, как мы узнаем больше о том, как наша гелиосфера защищает Солнечную систему - и как эта защита могла изменяться на протяжении всей истории - мы можем искать другие звездные системы, которые могли бы иметь аналогичную защиту. И при этом форма имеет значение: являются ли наши гелиосферные двойники формой длиннохвостой кометы, спущенными круассанами или чем-то совершенно другим?

Какой бы ни была истинная форма гелиосферы, запланированная миссия НАСА станет благом для разгадки этих вопросов: Зонд межзвездного картографирования и ускорения, или The Interstellar Mapping and Acceleration Probe, IMAP.

IMAP, запуск которого запланирован на 2024 год, будет фиксировать 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 нацелен на создание тестируемой модели гелиосферы до запуска IMAP. Их прогнозы о форме и других характеристиках гелиосферы - и о том, как это отразится на частицах, возвращающихся от границы, - предоставят ученым основу для сравнения с данными IMAP.