Огромный космический пузырь защищает нашу солнечную систему — вот что мы о нем знаем

Еще в 2020 году астрономы предположили, что гелиосфера — пузырь, который окружает Солнечную систему и защищает жизнь на Земле — может иметь форму круассана. Как бы необычно это ни звучало, теперь исследователи пришли к новым выводам в поддержку этой теории, основанным на продвинутом компьютерном моделировании.

Что происходит, когда вы удаляетесь от центра Солнечной системы?

Помимо электромагнитного излучения Солнце также является источником солнечного ветра, то есть потоков частиц, в первую очередь протонов и электронов. Солнечный ветер постоянно исходит от звезды, образуя при этом сверхзвуковой поток.

Даже вдали от Солнца нет пустоты, а есть среда, заполненная частицами. Следовательно, как и в любой среде, в которой есть частицы, в ней можно определить скорость звука, которая соответствует скорости распространения малых возмущений. Скорость солнечного ветра, например, на орбите Земли составляет от 400 до 700 километров в секунду, и это примерно в 10 раз больше скорости звука в околоземной плазме.

Солнечная система, в свою очередь, находится в локальной межзвездной среде, которая также заполнена протонами и электронами — межзвездной плазмой. Солнце движется через эту плазму, что можно сравнить с движением самолета в воздухе.

Результатом является взаимодействие двух потоков: сферически-симметричного солнечного ветра, который распространяется от звезды во всех направлениях, и, если мы посмотрим в системе координат, связанной с Солнцем, поток межзвездной плазмы, бегущий по нам.

Эти два потока сталкиваются друг с другом, образуя область взаимодействия, состоящую из нескольких границ. Если двигаться дальше от Солнца, то на некотором расстоянии наступает момент, когда давления этих двух сталкивающихся потоков — солнечного ветра изнутри и межзвездной плазмы снаружи — выравниваются. В этом месте образуется гелиопауза, а пространство внутри нее называется гелиосферой.

Что такое гелиосфера?

В целом солнечный ветер не проникает за гелиопаузу (границу гелиосферы), а межзвездная плазма не проникает в гелиопаузу. Однако скорость солнечного ветра здесь не падает до нуля, а меняет направление, его поток разворачивается, и физически образуется граница раздела двух сред.

Гелиосфера заполнена плазмой солнечного ветра и собственным магнитным полем, а за пределами гелиопаузы находится межзвездная плазма, межзвездные протоны с электронами и межзвездное магнитное поле.

В течение многих лет главным вопросом была реальная форма гелиосферы. Основываясь на данных космического корабля «Вояджер-1» и миссии Кассини, в 2020 году исследователи предположили, что он действительно может иметь форму круассана. Новое исследование могло бы найти доказательства в поддержку этой странной теории.

Форма гелиосферы

Несколько американских автоматических межпланетных станций, отправленных много лет назад для исследования планет-гигантов и Плутона, сумели побывать у границ Солнечной системы.

К ним относятся два зонда «Вояджер», два «Пионера» ​​и «Новые горизонты». Пока что только «Вояджер-1» и «Вояджер-2» напрямую пересекли границу гелиосферы и в настоящее время движутся через межзвездное пространство.

На основе данных, полученных с помощью этих зондов, а также теоретических исследований и модели SHIELD (Солнечный ветер с ионным обменом водорода и крупномасштабной динамикой) было возможно построить гипотетическую форму гелиосферы.

В отличие от моделей гелиосферы, разработанных другими астрофизиками, которые обычно рисуют кометоподобную границу с длинным хвостом, простирающимся позади головы комы, модель SHIELD предполагает, что форма гелиосферы больше похожа на круассан или странно надкушенный пончик с нестабильным граница.

В новом исследовании ученые связывают эту форму с действием двух парных гелиосферных джетов, вылетающих из полюсов Солнца, подобно тому, как действуют релятивистские струи черных дыр или других сверхплотных объектов.

Эти струи нестабильны и образуют столбы неправильной формы, которые затем отбрасываются и искажаются набегающим потоком межзвездной материи. В этом случае нейтральные атомы водорода межзвездного пространства, обтекающие Солнечную систему, могут сыграть ключевую роль в формировании очертаний гелиосферы.

Причиной турбулентности авторы работы считают нестабильность типа Рэлея — Тейлора, вызванную взаимодействием нейтральных атомов водорода с ионизированным веществом. Это можно сравнить с нестабильностью границы раздела жидкостей или газов с разной плотностью в гравитационном поле.

В конце концов, все эти потоки образуют защитный пузырь, который окружает планеты и, в частности, защищает жизнь на Земле от большей части высокоэнергетических космических лучей, исходящих от сверхновых и других экстремальных объектов во Вселенной. Это прорывное открытие теперь ставит другой вопрос — почему это единственная модель, которая показывает такую ​​форму гелиосферы, в то время как все предыдущие попытки дали совершенно разные результаты?