Пересечение границы ударной волны

Прежде, чем мы доберемся до границ всей системы, посмотрим на первый внутренний рубеж – границу упругой волны.

В декабре 2004 года «Вояджер 1» пересек границу гелиосферной ударной волны (T ermination S hock) на расстоянии 94 а.е. от Солнца. За это время ученые успели изучить некоторые свойства гелиомантии и измерить скорость движения солнечного ветра.

Перед тем, как «Вояджер 2» пересек границу ударной волны, на расстоянии 76 а.е. было зарегистрировано увеличение энергии самых маломощных энергетических частиц, которые только можно обнаружить. Приборы также отметили внезапное увеличение силы магнитного поля и увеличенный уровень силы компрессионной турбулентности, что доказывает пересечение кораблем границы, кроме того, это было подтверждено приборами, показавшими резкое снижение скорости солнечного ветра.

Когда «Вояджер 1» вошел в зону замедления солнечного ветра, известную как гелиомантия, он обнаружил странное явление, которое ряд исследователей назвал «магнитной автострадой». Там силовые линии магнитного поля Солнца соединяются с линиями межзвездного магнитного поля, создавая свой магнитный пузырь. В этом месте наблюдается снижение количества низкоэнергетических частиц, исходящих изнутри гелиосферы, но туда проникает масса частиц высоких энергий, прибывших из межзвездного пространства, и между ними происходит обмен.

Сравнивая моменты преодоления границы внутренней ударной волны обоими зондами, следует отметить ряд важных моментов. Во-первых, граница асимметрична и с южной стороны, там, где ее преодолел «Вояджер 2», находится на 1,5 млрд. км ближе к Солнцу, чем на севере, где ее прошел «Вояджер 1». Во-вторых, зафиксированное приборами пятикратное прохождение «Вояджером 2» границы ударной волны, говорит о том, что пройденная зона пульсирует в едином ритме с солнечной активностью. Отсюда следует вывод, что гелиосфера представляет собой несимметричную и очень динамичную структуру.

Регион стагнации

Область стагнации представляет собой регион с довольно сильным магнитным полем (индукция резко возросла почти в два раза по сравнению с предыдущими значениями). Считается, что давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Кроме этого, «Вояджер 1» зарегистрировал рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства.

В этой ситуации есть одна странность: если солнечный ветер полностью исчез, галактические космические лучи должны «литься» со всех сторон. Однако зонд зафиксировал, что - лучи идут только из одного направления.

Более того, хотя солнечные частицы пропали, аппарат не засек каких-либо изменений в магнитном полевокруг себя. Объяснить это довольно трудно, так как предполагается, что магнитное поле галактики наклонено на 60 ° по отношению к магнитному полю Солнца. Никто из астрофизиков пока не может понять, что же происходит.

Создается впечатление, что «Вояджер 1» собирается вот-вот покинуть свой солнечный дом, однако вместо этого стоит в «фойе» с открытой дверью, в которую задувает ветер из Галактики. Ученые не подозревали, что имеется такое «фойе» (рис. 18.10).

Рис. 18.10. Регион стагнации,

http://inosmi.ru/images/21292/40/212924057.gif

Данные о регионе стагнации по «Вояджеру 2» отсутствуют.

Далее «Вояджеру 1» необходимо было пробиться через гелиопаузу. Тут начались такие неожиданности, к которым не был готов никто. Первоначально ученые полагали, что переход космического путешественника в новую реальность, где влияние всей Галактики более заметно, пройдет постепенно и не будет особенно интересным. Однако оказалось, что этот переход стал намного более сложным, чем подозревали исследователи. Аппарат попал в странную область, найти объяснение которой ученые затрудняются. Все модели, которые предсказывали, что должно происходить в этом районе, оказались неверными.

Две из неожиданностей настолько важны, что заслуживают отдельного рассмотрения и обсуждения. Первую обнаружили «Вояджеры» – и это магнитная пена, состоящая из пузырей, каждый размером примерно в 1 а.е. А вторую, не менее важную, «Вояджеры» не заметили. Ее обнаружил «ИБЕКС». Она представляет собой высокоэнергетическую ленту, опоясывающую фронтальную зону гелиосферы.

Магнитная пена

Ранее считалось, что магнитное поле на границе Солнечной системы устроено обычным образом: величина его постепенно убывает, силовые линии изгибаются и возвращаются обратно к Солнцу. Потом появилось представление о более сложной картине магнитного поля Солнца, описанное в гл. 6-й книги.

Данные «Вояджеров» выявили совершенно неожиданные структурные неоднородности внешней магнитной оболочки солнечной гелиосферы. Магнитное поле на расстоянии свыше сотни а.е. от Солнца напоминает пузырящееся шампанское, каждый «пузырек» которого имеет поперечник ни много – ни мало около 150 млн. км, практически – радиус земной орбиты. На пересечение такого «пузырька» «Вояджеры» тратят 3-4 месяца.

На рис. 18.11 представлено изображение, поясняющее картину (на красную и синюю спирали пока не обращайте внимание, они нам потребуются для дискуссии).

Рис. 18.11. Граница гелиопаузы в зоне контакта с межзвездной средой,

http://www.astrogorizont.com/content/read-Voyadzheri

Еще в 2007 году космический зонд «Вояджер 1» вошел в «пенную магнитную зону», а годом позже в ней оказался и его собрат.

Головоломка учеными была решена следующим образом: из-за вращения Солнца на большом удалении его магнитное поле начинает скручиваться и складываться. Происходит так называемое «пересоединение» силовых линий складок магнитного поля. На рис. 18.12 показано, как это происходит.

Рис. 18.12. Уплотнение складок магнитного поля Солнца после границы ударной волны,

http://data13.gallery.ru/albums/gallery/103994-8587f-59749514-m750x740-u73e4a.jpg

Чтобы понятнее было, о чем идет речь, напомню в объединенном виде рисунки из 6-й главы (здесь – рис. 18.13) и кратко повторю комментарии к ним.

Рис. 18.13. Магнитное поле Солнца и гелиосферный токовый слой

На левом рисунке показана структура магнитного поля Солнца в плоскости эклиптики. Поле условно разбито на несколько секторов, в которых направлено либо к Солнцу, либо от него. Силовые линии начинаются с некоторого расстояния от Солнца, и согласовываются с потоком солнечного ветра, который здесь принимается радиальным. В экваториальной плоскости показаны силовые линии магнитного поля противоположной ориентации (розовые и голубые стрелки). В объеме поле выглядит так, как указано на центральном рисунке. На нем также обозначены орбиты планет. Художник изобразил фиолетовую область объемной спирали оборванной, не доходя до орбиты Юпитера. Но это не означает, что магнитное поле заканчивается в этой зоне. Увеличьте среднее изображение до границ солнечной магнитосферы и пол ý чите ее вид в целом. А вот гофрирование поверхности объемной спирали магнитного поля при большом удалении от Солнца нужно еще доказать. Поле простирается на всю область гелиосферы. Спираль, в которую Солнце закручивает свое магнитное поле в процессе вращения, называется спиралью Паркера по имени ее первооткрывателя. Она представляет собой объемный вид архимедовой спирали. А это уже сакральная геометрия, которая во Вселенной соблюдается неукоснительно! Заряженные частицы, ускоренные Солнцем, вылетают в межпланетное пространство, обладая высокой энергией. Они движутся вдоль межпланетного магнитного поля. Изменение направления магнитного поля на горбах и впадинах спирали Паркера порождает электрический поток. Узкая прослойка между противоположно ориентированными магнитными полями называется гелиосферным токовым слоем. На правом рисунке направление такого тока показано желтыми стрелками.

На рис. 16.12, по сути дела, изображена половина объемной магнитосферы Солнца в разрезе с предполагаемым уплотнением поверхностей спирали Паркера на дальних рубежах Солнечной системы (до «гофрированного» состояния). Кое-какие пояснения к рис. 16.12 даются в комментариях к ролику https://www.youtube.com/watch?v=NdtKaP_fAws, в котором эта картинка является одним из кадров. Там приводится следующая интерпретация:

Магнитное поле Солнца на Северном и Южном полюсах вращается в противоположных направлениях, создавая обширную поверхность, где встречаются два разнонаправленных вращения. Когда поверхность (имеется ввиду спираль Паркера) движется вовне, она покрывается мягкой рябью, расширяющейся по мере удаления. После достижения границы ударной волны она начинает сжиматься, как волны, ударяющиеся о стену.

Когда я впервые увидела рисунок гелиосферы с пузырями на границе, я задумалась: а какое отношение к магнитному полю Солнца могут иметь красная и синяя спирали, расходящиеся вверх и вниз, которые на рис. 16.12 изображены перпендикулярными магнитному полю? В тех публикациях, которые мне удалось изучить, о спиралях нет ни слова, несмотря на то, что они везде нарисованы.

И никакого толкования в ключе публикаций придумать не смогла. Но ведь зачем-то их нарисовали. Что же ими пытались пояснить, если ввели практически во все картинки с пузырями на фронте гелиосферы, растиражированные в самых разных источниках? Прямого отношения к магнитному полю они иметь не могут. Но рис. 16.12 правильный! Действительно, мы имеем два противоположно направленных вращения у полюсов. Они показывают уже хорошо знакомые нам у небесных тел полярные воронки! Вращение Солнца и планет происходит против часовой стрелки. Если смотреть на Северный полюс Солнца сверху, то мы увидим направление вращения спирали, т.е. воронки, против часовой стрелки. Но если мы посмотрим точно так же на Южный полюс («снизу»), то спираль-воронка будет вращаться по часовой стрелке. И не будут они (спирали) загибаться назад вдоль границ гелиопаузы. Спирали действительно загибаются, но не так и не туда. Они существуют во всей подвластной Солнцу области пространства вдоль оси его вращения, а вне этого пространства их быть просто не может. Они его и замыкают. Подтверждением наличия именно воронок являются огромные полярные корональные дыры Солнца. Конечно, границы у них не такие четкие, как у планетарных полярных воронок, так ведь и «темперамент» другой – плазма все-таки, нагретая в короне до нескольких миллионов градусов. Вспомните опять гл.6 (рис. 96). Здесь я хочу привести рис. 18.14 с фотографиями Солнца, выполненными 07.12.2011:

Рис. 18.14. Фотографии Солнца от 07.12.2011.

https://www.youtube.com/watch?v=1SdkZmnf8tI

Обратите внимание на полярные зоны. Короны практически не видно, а точно на Южном полюсе видна даже конкретная дыра, прямо, как для демонстрации тех спиралей.

Обе спирали раскрываются и, раскрывшись, замыкаются друг на друга, создавая тороид вращения. А что означает наличие спиралей-воронок? Конечно, выход на поверхность солнечного Полевого гиперболоида. Только вот так, как изображено на рис. 16.12 эти спирали не изогнутся никогда. Что бы они тогда значили? Ни-че-го. Гиперболоид образует единое семейство энергетических эллипсоидов, которые и организуют все энергетические слои Солнца. Напоминаю рис. 3.10 (здесь – рис 18.15):

Рис. 18.15. Строение энергетических тороидальных структур с

Полевым гиперболоидом в центре

И граница одного из внешних солнечных слоев-эллипсоидов – это то, что мы называем гелиопаузой. Но она не самая внешняя. Не знаю, будут еще ли промежуточные слои, и сохранится ли там магнитное поле Солнца и, если сохранится, то в каком виде, но последней границей влияния нашей звезды должно быть Облако Оорта, внешний край которого называется Сферой Хилла, где уравнивается гравитационное воздействие Солнца с галактическим. И это будет внешний эллипсоид солнечного мира. После рассмотрения полученных от зондов данных становится понятным, что представление гелиосферы как сферы в какой-то степени оправдывается только до границы внутренней ударной волны, и то с определенными допущениями. Можно сказать, что и фронт гелиосферы на уровне границы с Головной ударной волной имеет округлую, но не симметричную форму. А в целом солнечное пространство во Вселенной представляет собой сложную, даже не каплевидную структуру, ибо гелиосферная мантия, растягивается в сторону, противоположную движению, на огромное расстояние, как кометный хвост.

Все вышесказанное было важным отступлением, правда, «не лирическим». Вернемся, наконец, к пузырям.

Подтверждением правильности предположения наличия пузырчатой зоны послужило компьютерное моделирование, позволившее изобразить вид, обилие и характер распределения пузырей. На мой взгляд, с пузырями получается похоже, а с «гофрированием» – не очень. Скачкообразное изменение скорости солнечного ветра на границе ударной волны со сверхзвуковой на дозвуковую, если оно действительно связано только с взаимодействием противоположно направленных солнечного и галактического ветров, не должно привести магнитное поле Солнца к подобной реакции. Это все-таки разные «епархии».

Датчики обоих зондов передавали странные и постоянно колеблющиеся параметры. С помощью компьютерной модели было показано, что «Вояджеры» регулярно переходят из пузырька в пузырек (ничего себе, «пузырьки», размером с радиус орбиты Земли!). Потоки космических частиц на поверхностях пузырей создают мощные электрические токи и магнитные поля. Учеными было высказано предположение, что магнитная пена представляет собой первую «линию обороны», защищающую Солнечную систему от воздействия заряженных частиц из космического пространства.

Вид и изменение расположения пузырей по компьютерной модели показаны в динамике в ролике, на который я уже ссылалась (https://www.youtube.com/watch?v=NdtKaP_fAws). На рис. 18.16 приводится два варианта изображений, растиражированных во многих публикациях.

Рис. 18.16. Магнитные пузыри,

http://www.astrogorizont.com/content/read-Voyadzheri

Данные «Вояджеров» с дальних рубежей заставили ученых признаться в несостоятельности существовавшей до сих пор научной концепции о строении окраин Солнечной системы. Никаких постепенных изменений характеристик не наблюдается. Плавное течение заменилось пузырчатым пенистым внешним слоем. Этот новый слой также изменил понимание того, как очень быстро движущиеся частицы, называемые космическими лучами, входят в нашу Солнечную систему. Когда они входят в пузырчатый регион, то медленно движутся от пузыря к пузырю.

В этом районе (между внутренней ударной волной и гелиопаузой) при взаимодействии солнечного ветра с плазмой межзвездного газа создаются так называемые энергичные нейтральные атомы. На рис.18.17 показано, как видится такой процесс глазами художника.

Рис. 18.17. Процесс образования энергичных нейтральных атомов глазами художника,

https://artefact2007.wordpress.com/page/2/

Заряженные частицы из Солнечной системы и межзвездного пространства так и остаются каждые по свою сторону от гелиопаузы. Для них она непреодолима, как стена. Нейтральные же частицы преодолевают «стену» спокойно. Нейтральные атомы не зависят от магнитных полей и с большими скоростями (от 40 до 1000 км/с) разлетаются в разные стороны, в том числе и возвращаются во внутреннюю Солнечную систему, где их можно уловить специальными приборами.

Все это замечательно, но оказалось, что «Вояджеры» проглядели самое главное – тот самый пояс, из которого выходят самые обширные и быстрые потоки энергичных нейтральных атомов. И тут уже в свои права вступает другой космический автоматический зонд «ИБЕКС».

«ИБЕКС» (IBEX – Interstellar Boundary Explorer)

«Исследователь межзвездной границы» был запущен в 2008 году. Он «видит» небо не в электромагнитном излучении, а в потоках нейтральных атомов. Это необычное зрение уже хорошо послужило науке. Так, «ИБЕКС» впервые в мире поймал высокоскоростные атомы водорода от Луны. Даже за рамками своей основной миссии аппарат с детекторами частиц нашел что-то новое. Но главное его предназначение – изучение удаленных участков пространства Солнечной системы.

По мере того как «ИБЕКС» обращается вокруг Земли, а вместе с нею и вокруг Солнца, он получает возможность осмотреть небо во всех направлениях и создать карту распределения энергичных нейтральных атомов. Различные его участки отличаются для «ИБЕКС» по «цвету» и «яркости», определяющимися энергетическим спектром и плотностью потока нейтральных атомов, отражающими интенсивность рождения этих частиц на внешней границе Солнечной системы.

Для «Вояджера 1» индикатором, указывающим на выход во внешний космос, стало резкое изменение характера магнитных полей. По мере того, как он прошел гелиопаузу, магнитное поле должно было сместиться, но сдвиг был на 40 угловых градусов дальше от того, что ожидалось. Это заставило некоторых критиков говорить, что зонд находится еще внутри гелиосферы. Цитирую по http://www.dw.com/ru/вояджер-1-ставит-ученых-в-тупик/a-16940853:

Раньше считалось, что она (граница гелиосферы) состоит из двух регионов – региона торможения, в котором солнечный ветер продолжает замедляться, и региона стагнации, в котором индукция магнитного поля Солнца резко возрастает вследствие уплотнения, вызванного усилением давления заряженных частиц межзвездной среды.

Теперь же исследователи «нарастили» гелиосферную мантию снаружи еще одним регионом – зоной истощения. Она характеризуется направленностью межзвездного ветра и аномальной структурой магнитного поля, хотя до сих пор считалось, что космическое излучение здесь должно быть изотропным. Получается, что, и, не покинув еще Солнечную систему, «Вояджер 1» уже предложил ученым совершенно новый и неожиданный объект для исследований. Однако едва ли те смогут предсказать, станет ли зона истощения последним перед гелиопаузой регионом гелиосферной мантии или ее придется опять «наращивать».

Для выяснения природы магнитной аномалии были использованы результаты наблюдений, проведенных четырьмя другими космическими аппаратами, включая «СОХО», «Улисс» и «ИБЕКС». Главную роль сыграла возможность составления по данным «ИБЕКС» карт высокоэнергетического излучения, состоящего из электрически нейтральных атомов. На составленных картах этого излучения четко видно яркую энергетическую «ленту». Дальнейшая информация и рисунки заимствованы из статьи «Вокруг семьи Солнца открылась колоссальная лента» (http://www.membrana.ru/articles/global/2009/10/16/165200.html).

Открытие «ленты» оказалось совершенно непредсказуемым в рамках любых прежних теорий и моделей. Откуда взялась эта огромная лента, опоясывающая всю Солнечную систему, да еще и сдвинутая набекрень? Из чего она состоит, как образовалась и почему перекошена?

«ИБЕКС» показывает очень узкую ленту, которая в два-три раза ярче, чем остальное небо. Первые озадачившие ученых картинки представлены на рис. 18.18.

Рис. 18.18. Таинственная полоса, зафиксированная ИБЕКС

Более аккуратные расчеты данных позволили ученым увеличить разрешение отдельных участков гигантской ленты, выявив любопытные детали, значение которых еще только предстоит выяснить (рис.18.19).

Рис. 18.19. Участок ленты при большом увеличении и современное положение «Вояджеров»

Обратите внимание на то, как удачно по обе стороны ленты оказались оба «Вояджера»: один – севернее, другой – южнее. Сравнение экспериментальных данных, полученных от обоих зондов, позволяет оценить асимметрию происходящего в исследуемом промежуточном пространстве.

До появления новых обескураживающих ученый мир данных считалось, что модели предсказывали наибольшие вариации в «яркости» нейтральных атомов в десятки процентов по всему небу, а выяснилось, что яркость может меняться на несколько сотен процентов в пределах очень малого угла обзора. Общая модель распределения энергичных (?) нейтральных атомов по небесной сфере оказалась неверной, кроме того, установлено, что исключительно мощные потоки таких частиц могут рождаться в очень малых участках.

Внешние условия галактической среды накладывают отпечаток на происходящее в Солнечной системе в гораздо большей степени, чем предполагалось. Похоже, гелиосфера взаимодействует с Галактикой значительно сложнее.

Относительно же природы самой ленты пока у исследователей есть только догадки. Специфика ее ориентации в пространстве соотносится одновременно как с особенностями распределения солнечного ветра, так и с направлением движения Солнца сквозь межзвездную среду. Но не только с ними.

В частности, за формирование и специфическую ориентацию ленты может быть ответственно межзвездное магнитное поле. Но как именно это происходит, еще непонятно.

Помимо всего прочего, «ИБЕКС» определил области, в которых группируются нейтральные атомы водорода, гелия и кислорода, дрейфующие из межзвездного пространства вглубь гелиосферы (рис. 18.20).

Рис. 18.20. Прямые наблюдения нейтральных атомов водорода, гелия и кислорода, свободно дрейфующих из межзвездной среды внутрь гелиосферы

Следующая иллюстрация показывает направление движения гелиосферы в межзвездном пространстве (рис. 18.21, надписи добавлены мной – СП). Поясню: апексом в данном случае называется точка на небесной сфере, на которую направлено движение Солнечной системы; она находится в созвездии Геркулеса.

Рис.18.21. Объемное изображение гелиосферы и направление ее движения на апекс в окружающем магнитном поле

Направление на точку апекс показано красной стрелкой. Черными линиями изображены силовые линии межзвездного магнитного поля. Видно, как оно прогибается под воздействием магнитного поля гелиосферы. Лента изгибается на фронтальной границе гелиопаузы, словно резинка, обвитая вокруг надувного мяча. Ученые считают, что так будет происходить до тех пор, пока аппарат действительно не выйдет в межзвездное пространство, а произойдет это приблизительно в 2025 году. Наука вынуждена признать, что аппарат «Вояджер 1» все-таки еще не покинул пределов гелиосферы и то, что строение граничной области намного более сложное, нежели считалось ранее.

Обратили внимание на то, как лента буквально прилипает к поверхности гелиопаузы? Если учесть, что угол между осью вращения Солнца и направлением на апекс составляет 23 °, и мысленно провести линию оси Солнца, то окажется, что лента опоясывает гелиосферу примерно в экваториальной плоскости Солнца или фокальной плоскости Полевого гиперболоида Солнечной системы (подробнее пояснение дается в обобщении информации в конце главы).

Конечно, «ИБЕКС» – не единственное наше средство ознакомления со столь удаленным регионом. Картину небольшого его участка, и тоже в энергичных нейтральных атомах, нарисовали спутники-близнецы «Стерео», попутно открыв интересные детали в спектральном распределении таких частиц.

Кроме того, появилось сообщение от исследователей, получающих информацию от зонда «Кассини», у которого тоже есть прибор, фиксирующий энергичные нейтральные атомы. 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 еще это поможет лучше предсказывать и понимать галактические воздействия, которые могут нести опасность для людей.

Дело в том, что от формы и поведения гелиопаузы, «дышащей» под действием межзвездного ветра и управляемой отчасти межзвездным магнитным полем, зависит «космическая погода» во всей Солнечной системе, где, как казалось нам, все определяет лишь само светило. На рис. 18.22 графически показана доля галактических лучей, проникающих внутрь Солнечной системы (надписи на рисунке добавлены мной – СП).

Рис. 18.22. Экранирование космических лучей гелиосферой

Синей стрелкой показан межзвездный поток вещества. После прохождения головной ударной волны начинается заметное уменьшение количества космических лучей, но самое резкое уменьшение потока наблюдается между гелиопаузой и границей внутренней ударной волны. После ее пересечения имеет место плавное уменьшение доли космического излучения вплоть до зоны, занятой планетами.

Внутрь Солнечной системы могут проникнуть лишь достаточно энергичные (?) частицы. Фронт гелиопаузы защищает нас от многих пагубных воздействий, и, с этой точки зрения, его справедливо считают рубежом внутренней Солнечной системы. «Вояджеры» не нашли ожидавшегося теоретиками внешнего ударного фронта межзвездного газа, тормозящегося о солнечный ветер и вещество Солнечной системы. Причиной может являться то, что Солнце движется сквозь окружающие газовые облака не со сверхзвуковой скоростью 26 км/сек., как думали раньше, а с дозвуковой скоростью 23 км/сек, как установил зонд «ИБЕКС».

По весьма сложным траекториям в гелиосфере текут токи силой в миллиарды ампер. И это тоже преграда для космических лучей. 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 человечества. Миссия зонда «ИБЕКС» не закончена.

http://divinecosmos.e-puzzle.ru/list.php?c=pavlova_3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: