Гелиопауза, окружающая Солнечную систему, имеет рифленые структуры
Данные с космического аппарата, вращающегося вокруг Земли, выявили пульсирующие структуры в ударной волне и гелиопаузе: смещающиеся области пространства, которые отмечают одну из границ между пространством внутри Солнечной системы и тем, что снаружи — межзвездным пространством. Результаты показывают, что можно получить детальное представление о границах Солнечной системы и о том, как они меняются со временем. Эта информация поможет ученым лучше понять область космоса, известную как гелиосфера, которая защищает планеты Солнечной системы от галактического излучения.
Солнце по-разному влияет на пространство вокруг себя. Одним из факторов влияния является солнечный ветер, постоянный сверхзвуковой поток ионизированной плазмы. Он проходит со скоростью от 300 до 800 км/с мимо планет и пояса Койпера, в конце концов исчезая в великой пустоте между звездами.
Точка, в которой этот поток падает ниже скорости, с которой звуковые волны могут проходить через диффузную межзвездную среду, называется границей ударной волны (терминальный удар), а точка, в которой он больше не достаточно силен, чтобы противостоять очень слабому давлению межзвездного пространства, называется гелиопауза.
Оба зонда «Вояджер» пересекли гелиопаузу и теперь фактически путешествуют по межзвездному пространству, предоставив нам первые измерения этой смещающейся границы на месте. Но на околоземной орбите есть еще один инструмент, который помогает ученым наносить на карту гелиопаузу с момента его запуска в 2009 году: межзвездный пограничный исследователь — или IBEX.
IBEX измеряет заряженные нейтральные атомы, которые образуются, когда солнечный ветер сталкивается с межзвездным ветром на границе Солнечной системы. Некоторые из этих атомов катапультируются дальше в космос, а другие отбрасываются обратно на Землю. Если принять во внимание силу солнечного ветра, породившего их, нейтральные частицы с энергией, которые возвращаются к нам, можно использовать для картирования формы границы, что немного похоже на космическую эхолокацию.
Предыдущие карты структуры гелиосферы основывались на долговременных измерениях эволюции давления солнечного ветра и выбросов энергичных нейтральных атомов, что привело к сглаживанию границы как в пространстве, так и во времени. Но в 2014 году в течение примерно шести месяцев динамическое давление солнечного ветра увеличилось примерно на 50 процентов.
Группа ученых во главе с астрофизиком Эриком Зирнштейном из Принстонского университета использовала это более короткое по масштабу событие, чтобы получить более подробный снимок формы конечной ударной вроны и гелиопаузы, и обнаружила огромную рябь в масштабе десятков астрономических единиц (одна астрономическая единица — среднее расстояние между Землей и Солнцем).
Ученые также выполнили моделирование и симуляции, чтобы определить, как этот ветер высокого давления взаимодействует с границей Солнечной системы. Они обнаружили, что фронт давления достиг конечного скачка в 2015 году, посылая волну давления через область между головной ударной волной и гелиопаузой, известную как внутренняя гелиооболочка.
В гелиопаузе отраженная волна движется назад, сталкиваясь с все еще поступающим потоком заряженной плазмы, создавая бурю энергичных нейтральных атомов, которая заполняет внутреннюю гелиооболочку к тому времени, когда отраженная волна возвращается обратно к ударной волне.
Измерения также показывают довольно значительное смещение расстояния до гелиопаузы. «Вояджер-1» пересек гелиопаузу в 2012 году на расстоянии 122 астрономических единицы. В 2016 году ученые измерили, что расстояние до гелиопаузы в направлении «Вояджера-1» составляет около 131 астрономической единицы; в то время зонд находился на расстоянии 136 астрономических единиц от Солнца, все еще в межзвездном пространстве, но с раздувающейся гелиосферой позади него.
Измерение командой гелиопаузы в направлении «Вояджера-2» в 2015 году немного сложнее: 103 астрономических единицы с погрешностью в 8 астрономических единиц с каждой стороны.
В то время «Вояджер-2» находился в 109 астрономических единицах от Солнца, что все еще находится в пределах погрешности. Он не пересекал гелиопаузу до 2018 года на расстоянии 119 астрономических единиц.
Оба измерения предполагают, что форма гелиопаузы меняется, и весьма значительно. Однако, не совсем понятно, почему так происходит.
Однако в 2025 году в космос будет отправлен новый зонд для измерения эмиссии энергичных нейтральных атомов с более высокой точностью и в более широком диапазоне энергий. Это, по словам ученых, должно помочь ответить на некоторые вопросы о странном, невидимом, «морщинистом» пузыре, который защищает нашу планетную систему от влияния межзвездного пространства.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.