Гелиосфера
Гелиосфера представляет собой «пузырь», заполненный летящими от звезды заряженными частицами (так называемый солнечный ветер). Частицы «расталкивают» молекулы межзвёздного вещества, поэтому гелиосфера обеднена ими. До сих пор считалось, что форма границ гелиосферы определяется именно характеристиками частиц солнечного ветра. Основная гипотеза предполагала, что приграничная часть гелиофсеры является достаточно протяжённой.
Однако уже сейчас «Вояджер 1» передал о серьёзном изменении в окружающей обстановке. Солнечный ветер, который все предыдущие годы миссии исправно нёсся в направлении от нашего светила наружу (хотя и с разным темпом), теперь больше не продвигается вовне. Его скорость в этом направлении обратилась в ноль. Вместо этого частицы солнечного ветра начали перемещаться в поперечном направлении, они уходят в сторону, в конечном счёте формируя гигантский «кометный хвост» гелиосферы. Последний вытягивается из-за движения Солнца сквозь межзвёздную среду. («Вояджеры» летят в сторону головы этой своеобразной «кометы»).
Помимо «Вояджеров» много интересной информации о гелиосфере получено с космического аппарата IBEX (Interstellar Boundary Explorer – исследователь границ межзвездного пространства), способного регистрировать потоки энергичных нейтральных атомов – ЭНА. Этот американский зонд предназначен для наблюдения за границей между пространствами – солнечным и межзвёздным.
Данные, переданные аппаратом IBEX, свидетельствуют, что граница гелиосферы оказалось очень узкой, а её очертания, вероятно, определяются влиянием магнитного поля межзвёздного пространства. Пока астрономы не могут с уверенностью сказать, действительно ли границы гелиосферы устроены таким образом, или наблюдаемая структура – это временное явление, связанное с некими пока неясными процессами.
Тут просто необходимо отступление. Межпланетное и межзвёздное пространство только по земным меркам представляется пустотой. На деле оно заполнено крайне разреженным газом (главным образом водородом), различными ионами, пылевыми частицами и магнитными полями. Но и Солнце тоже испускает поток заряженных частиц (солнечный ветер), а также протягивает своё магнитное поле далеко за пределы орбит планет. Солнце обегает центр Галактики 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 совсем 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.

В «голове солнечной 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).
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 (с 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, летящего навстречу. 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.
В этом районе (между внутренней ударной волной и гелиопаузой) протоны от солнечного ветра отнимают электроны у атомов межзвёздного газа и возникают ЭНА (энергичные нейтральные атомы). 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. Отметим здесь, что наше земное магнитное поле, надёжно защищающее нас от солнечного ветра, для ЭНА не преграда.

Энергетический спектр нейтральных атомов, прилетающих из области гелиопаузы с центральным пиком примерно в районе полёта Вояджер 1 и двумя асимметричными добавочными пиками по краям (иллюстрация University of California, Berkeley; L.Wang).
Вернёмся снова к IBEX. В 2009 году он открыл совершенно неожиданную колоссальную ленту, окружающую Солнечную систему и сдвинутую набекрень. Лента эта проявляется в аномальных потоках ЭНА и, очевидно, связана с процессами, происходящими на границе гелиосферы. Но тонкости в её поведении и сам механизм возникновения всё ещё остаются туманными.

Таинственная полоса, зафиксированная IBEX в потоках атомов (иллюстрации NASA, SwRI).
Это открытие оказалось совершенно непредсказуемым в рамках любых прежних теорий и моделей: 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. Ранее самыми богатыми данными относительно положения дел на внешних окраинах Солнечной системы «располагали» два аппарата «Вояджер», а теперь оказывается, что «Вояджеры» проглядели самое главное – тот самый пояс, из которого выходят самые обширные и быстрые потоки ЭНА.

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.

Положение «Вояджеров» на карте неба, составленной IBEX. Видно, что человечество ухитрилось запустить оба аппарата аккурат рядом с колоссальным поясом ЭНА. Шкала отражает плотность их потока (иллюстрация SwRI).
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. Новые данные заставят пересмотреть текущее понимание того, как гелиосфера взаимодействует с Галактикой. Маккомас и его коллеги сравнивают «Вояджеров» с метеостанциями, одиноко стоящими (вообще-то летящими) 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 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. Показаны точки, в которых находятся «Вояджеры» (иллюстрация SwRI).
Конечно, IBEX – не единственное наше средство ознакомления со столь удалённым регионом. 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 Cassini. У него тоже есть прибор, фиксирующий ЭНА. И он также обнаружил ленту.
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).
Интересно, что «помятое» состояние оболочки позволило объяснить загадку аномальных космических лучей. Правда, всё равно оставалось непонятным несоответствие между энергией, которую генерирует (по всем расчётам) завершающая ударная волна (солнечный ветер, резко тормозящийся под напором ветра межзвёздного), и суммой энергии частиц солнечного ветра (плазмы), а также – высокоэнергетичных нейтральных атомов (более 28 килоэлектронвольт), разгоняемых в этой зоне. Эту сумму «вычислили» «Вояджеры» непосредственно на месте событий.
Если говорить упрощённо, –  куда-то пропало 70% энергии.
Теперь же спутники STEREO отыскали пропажу. Суммарная энергия атомов, попадающих в диапазон 4-20 кЭв и прилетающих в окрестности Земли с внешних границ Солнечной системы (как раз из региона, где работают «Вояджеры», из узкого 60-градусного сектора неба), оказалась равна 70% «энергии ударной волны». То есть ровно такой, какой недоставало для сведения баланса.
Всё вместе это добавляет немало сведений о физике «последней границы» Солнечной системы. А она очень важна для нас, поскольку защищает планеты от галактических лучей. Любые аномалии в гелиопаузе способны отражаться на доле галактических лучей, проникающих во внутреннюю Солнечную систему, а значит, и на земной биосфере.
Кстати, по некоторым предположениям, во время движения Солнца по галактической орбите оно за один оборот вокруг центра Млечного Пути несколько раз немного поднимается выше и спускается ниже галактической плоскости. Это медленное колебание влияет на среду, окружающую Солнце, на гелиосферу, а следовательно, и на уровень галактических лучей. Данное волнообразное движение, не исключено, может быть увязано с периодическими массовыми вымираниями на Земле. Во всяком случае, существует такая гипотеза.