Вокруг семьи Солнца открылась колоссальная лента.
16 октября 2009 membrana

Это открытие оказалось совершенно непредсказуемым в рамках любых прежних теорий и моделей, утверждают специалисты: огромная лента, опоясывающая всю Солнечную систему, да ещё и сдвинутая набекрень. Из чего она состоит, как образовалась и почему перекошена? Ответы позволят не только узнать больше о нашем доме, но помогут в дальних пилотируемых экспедициях.

"Сегодня настал день, которого мы все ждали: в первый раз первые результаты изучения гелиосферы аппаратом IBEX, в том числе полученная им карта неба, открыты для научного сообщества и публики!" — заявил 15 октября ведущий специалист этого проекта доктор Дэвид Маккомас (Dave McComas). IBEX значит Interstellar Boundary Explorer, этот американский зонд предназначен для наблюдения за границей между пространствами – солнечным и межзвёздным.
Собранные за первые шесть месяцев наблюдений сведения оказались столь значимы и обширны, что в Science вчера вышло сразу пять научных статей, посвящённых разным аспектам "добычи IBEX" (1, 2, 3, 4, 5). Главная же находка заставила учёных буквально схватиться за голову, поскольку такого никто не ожидал: на переданных кадрах проявилась гигантская полоса, опоясывающая кругом весь "пузырь" гелиосферы. Полоса яркая, концентрированная и какая-то "неправильная".

Таинственная полоса, зафиксированная IBEX… чуть было не сказали: "в разных диапазонах длин волн"… Но это была съёмка не электромагнитных волн. Подробнее – поясним ниже (иллюстрации NASA, SwRI).
Тут просто необходимо отступление. Межпланетное и межзвёздное пространство только по нашим, земным, меркам представляется пустотой. На деле оно заполнено крайне разреженным газом (главным образом водородом), различными ионами, пылевыми частицами и магнитными полями. Но и Солнце не промах. Оно испускает поток заряженных частиц (солнечный ветер), а также протягивает щупальца своего магнитного поля далеко за пределы орбит планет.
Граница, где давление межзвёздного и солнечного ветров выравниваются, называется гелиопаузой. Всё, что внутри, — это гелиосфера, владения нашей родной звезды. Всё, что снаружи, — межзвёздное пространство. На подходе солнечного ветра к этому рубежу есть участок, где его скорость резко падает со сверхзвуковой до дозвуковой (450 до 100 км/с) — это так называемая граница ударной волны.
Снаружи гелиопаузы имеется ещё одна ударная волна (внешняя, или головная), это аналогичная зона резкого торможения уже межзвёздного вещества, бегущего навстречу. Интересно, что заряженные частицы из Солнечной системы и межзвёздного пространства так и остаются каждые по свою сторону от гелиопаузы. Для них она — как стена. Нейтральные же частицы преодолевают "стену" спокойно.

Вокруг центра Галактики Солнце обегает за 226 миллионов лет со скоростью 220 км/c. Окружающий нашу систему межзвёздный газ также движется по галактической орбите, но его скорость и направление не слишком-то совпадают с солнечными. Потому получается, что наше светило перемещается со скоростью 25 км/с сквозь местное межзвёздное облако.
Из-за этого формируются несимметричные ударные волны на границе столкновения солнечного ветра и межзвёздной плазмы. Солнце словно выпускает "хвост кометы", вытягивающийся в сторону, противоположную направлению движения звезды. Потому в "голове кометы" граница ударной волны расположена ближе к Солнцу (примерно в 90 астрономических единицах), а хвосте – дальше (ориентировочно в 200) (иллюстрации Adler Planetarium/Chicago, Walt Feimer/NASA GSFC).
В этом районе (между внутренней ударной волной и гелиопаузой) протоны от солнечного ветра отнимают электроны у атомов межзвёздного газа и создают так называемые энергичные нейтральные атомы (ЭНА). Они уже не зависят от магнитных полей и с большими скоростями (от 40 до 1000 км/с) разлетаются в разные стороны, в том числе — возвращаются во внутреннюю Солнечную систему, где их можно уловить специальными приборами.

Так в представлении художника рождаются ЭНА (иллюстрация Walt Feimer/NASA GSFC).
Этим и занимается IBEX. Американский спутник видит небо не в электромагнитном излучении, а в потоках атомов. Традиционные для телескопов спектральные диапазоны ему заменяют разные диапазоны энергии частиц.
Это необычное зрение уже хорошо послужило науке. Так, в июне нынешнего года IBEX впервые в мире поймал высокоскоростные атомы водорода от Луны. Как видим, даже за рамками своей основной миссии аппарат с детекторами частиц нашёл что-то новое. Что уж говорить о направлении взора на удалённые участки неба.

По мере того как IBEX обращается вокруг Земли, а вместе с нею и вокруг Солнца, он получает возможность осмотреть небо во всех направлениях. Различные его участки выглядят для IBEX разными по "цвету" и яркости", определяющимися энергетическим спектром и плотностью потока ЭНА.
Последняя отражает интенсивность рождения этих частиц на внешней границе Солнечной системы. Там, где процесс этот идёт особенно бурно, появляется яркий "пиксель". Далее компьютеры разрезают и разворачивают сферу обзора спутника так, чтобы получилась двухмерная картина. Аналогично географы превращают глобус в плоскую карту мира (иллюстрации SwRI).
Ранее самыми богатыми данными относительно положения дел на внешних окраинах Солнечной системы "располагали" два аппарата Voyager, работающие в космосе с 1977 года. Сейчас они находятся на расстоянии примерно 16,6 и 13,4 миллиарда километров от Солнца, так что радиосигнал, отправленный, скажем, с Voyager 1, приходит на Землю через 15 с лишним часов. И они продолжают удаляться в межзвёздное пространство, примерно с той стороны от Солнца, где граница гелиосферы расположена ближе к нам.
История их открытий, связанных именно с гелиопаузой и её окрестностями, насыщена. В конце 2004 года Voyager 1 преодолел границу гелиосферной ударной волны. Брат-близнец отставал. Однако уже тогда совместная работа зондов позволила впервые установить, что оболочка Солнечной системы – это не просто "округлая кома кометы и её протяжённый хвост", но структура изрядно "помятая". В 2007 году границу ударной волны миновал и Voyager 2, находясь при этом ближе к Солнцу, чем первый аппарат.

Примерное расположение "Вояджеров" на границе Солнечной системы (иллюстрации Nature, NASA).
Тогда выяснилось, что ударная волна, предшествующая гелиопаузе (до неё-то обоим "Вояджерам" ещё только предстоит долететь), обладает не только большими выступами и впадинами, но и колеблется как прибой. Учёные пришли к выводу, что "солнечный пузырь", окружающий нашу систему, — это несимметричная и очень динамичная структура. Обобщающий материал про гелиосферу, основанный на данных с "Вояджеров", группа исследователей опубликовала в Nature в прошлом году.
А теперь оказывается, что "Вояджеры" проглядели самое главное — тот самый пояс, из которого выходят самые обширные и быстрые потоки ЭНА.
"Результат IBEX поистине замечательный. Эмиссия не похожа на предсказанную любой из современных теорий или моделей этого никогда ещё не наблюдавшегося региона, — говорит Маккомас. — Мы ожидали увидеть маленькие, плавные пространственные вариации межзвёздной границы. Вместо этого IBEX показывает нам очень узкую ленту, которая в два-три раза ярче, чем всё остальное небо".

Положение "Вояджеров" на карте неба, составленной IBEX. Видно, что человечество ухитрилось запустить оба аппарата аккурат рядом с колоссальным поясом ЭНА. Шкала, кстати, отражает плотность их потока (иллюстрация SwRI).
На сайте IBEX учёный поясняет, что модели предсказывали наибольшие вариации в "яркости" ЭНА в десятки процентов по всему небу, а выяснилось, что она может скакать на несколько сотен процентов в пределах очень малого угла обзора. Кроме того что оказалась неверной общая модель распределения ЭНА по небесной сфере, отдельным открытием Маккомас считает тот факт, что исключительно мощные потоки таких частиц могут рождаться в очень малых участках.
Относительно же природы самой ленты пока у исследователей есть только догадки. Специфика её ориентации в пространстве соотносится одновременно как с особенностями распределения солнечного ветра, так и с направлением движения Солнца сквозь межзвёздную среду. Но не только с ними.

Помимо прочего IBEX произвёл первые прямые наблюдения нейтральных атомов водорода и кислорода, свободно дрейфующих из межзвёздной среды внутрь гелиосферы (иллюстрации SwRI).
В частности, за формирование и специфическую ориентацию ленты может быть ответственно межзвёздное магнитное поле. Но увы, как именно это происходит — ещё непонятно.
Авторы новых работ предполагают, что лента, генерирующая потоки ЭНА, свидетельствует: внешние условия галактической среды накладывают отпечаток на происходящее в Солнечной системе в гораздо большей степени, чем предполагалось. По словам Дэвида, новые данные заставят учёных пересмотреть текущее понимание того, как гелиосфера взаимодействует с Галактикой.
Старичков "Вояджеров" Маккомас и его коллеги сравнивают с метеостанциями, одиноко стоящими (вообще-то летящими с умопомрачительными скоростями) посреди пустынь или степей.
А вот IBEX они уподобляют спутнику погоды, который видит все ураганы и тайфуны с орбиты, окидывая взглядом сразу целое полушарие. В случае с гигантской полосой ЭНА получилось, будто большая буря прошла аккурат меж двух метеостанций, оставшись незамеченной ими.

Гелиосфера в объёме. Показано направление её движения в межзвёздном облаке. Серые линии – межзвёздное магнитное поле. Видно, как оно "собирает" ленту. Также показаны точки, в которых находятся "Вояджеры" (иллюстрация SwRI).
Конечно, IBEX – не единственное наше средство ознакомления со столь удалённым регионом. К примеру, в прошлом году картину небольшого его участка и тоже в энергетичных нейтральных атомах нарисовали спутники-близнецы STEREO, попутно открыв интересные детали в спектральном распределении таких частиц.
Теперь же ещё появилось сообщение от исследователей, получающих информацию от трудяги Cassini. У него тоже есть прибор, фиксирующий ЭНА. И он также обнаружил ленту. Учёные, работающие с этими данными, отметили несоответствие формы и ориентации ленты всем прежним представлениям. И в том же самом номере Science, в котором вышли пять материалов про открытия IBEX, появилась статья, повествующая о подтверждении ленты зондом Cassini.

Изучение вновь открытого объекта должно раскрыть нам новые подробности и особенности того места, которое Солнце и его семья занимают в Млечном Пути. А ещё это поможет лучше предсказывать и понимать колебания в галактических лучах, которые несут опасность для людей.
Дело в том, что от формы и поведения гелиопаузы, "дышащей" под действием межзвёздного ветра и управляемой отчасти межзвёздным магнитным полем, зависит "космическая погода" во всей Солнечной системе, где, казалось бы, всё определяет лишь само светило.
На Земле мы укрыты ещё и земным магнитным полем, но в полётах на Луну, Марс и дальше людям придётся с опаской поглядывать в сторону галактических просторов. Как будет защищать нас гелиосфера в будущем? Так же, как и в прошлом, или что-то изменится по мере движения Солнца вокруг центра Галактики? Как гелиопауза откликается на циклы самого Солнца? Все эти вопросы важны для будущего космических полётов, да и всего человечества. Миссия IBEX не закончена.

Доля галактических лучей, проникающих внутрь Солнечной системы. Синей стрелкой показан межзвёздный поток вещества. Чёрные дуги – внешние границы системы. Слева направо: головная ударная волна, гелиопауза, граница внутренней ударной волны. Между двумя последними линиями происходят генерация ЭНА и одновременно резкая экранировка галактических лучей. В этой зоне сейчас как раз летят "Вояджеры". Шкала внизу – астрономические единицы, отсчёт которых идёт от внешней ударной волны (Adler Planetarium/Chicago).