Где не дует солнечный ветер

Ночью 20 октября туристы и местные жители на атолле Кваджелейн на Маршалловых островах могли бы наблюдать необычную картину (теоретически могли бы, так как все события развивались достаточно высоко). Самолет L-1011 Stargazer поднялся на высоту около 12 километров, где от него отсоединилась ракета-носитель Pegasus XL. В течение нескольких минут от ракеты-носителя последовательно отделились три ступени, а затем в космос устремилось устройство, размер которого не превышает колеса автобуса.

Устройство это носит название IBEX (Interstellar Boundary Explorer – Исследователь границ межзвездного пространства) и предназначено для изучения дальних рубежей Солнечной системы. IBEX должен определить, где заканчивается наш космический дом, и что происходит в приграничной зоне. Прежде чем подробнее описать миссию IBEX, определимся, что же ученые подразумевают под границей Солнечной системы.

Ограничения для ветра

Начнем с того, что граница у Солнечной системы не одна. Астрономы расходятся в терминологии, но мы будем придерживаться классификации NASA. За появление всех границ "ответственен" солнечный ветер - поток заряженных частиц, исходящий от нашей звезды. В основном солнечный ветер состоит из полностью или частично ионизированных водорода и гелия (вещество, находящееся в таком состоянии, получило название плазмы), которые "летят" со средней скоростью около 450 километров в секунду.

Космическое пространство, где "дует" солнечной ветер, является пустым только на первый взгляд. На самом деле оно заполнено частицами газа и пыли. Быстро перемещающаяся плазма солнечного ветра "расталкивает" эти частицы. Вокруг Солнца образуется "пузырь", заполненный рожденным звездой материалом и оставшимся межзвездным веществом. Этот "пузырь" носит название гелиосферы. Гелиосфера имеет неидеально сферическую форму (точные причины этого астрономам только предстоит узнать) и ее ближайшая граница находится на расстоянии около 90 астрономических единиц (а.е. – одна астрономическая единица - соответствует расстоянию от Солнца до Земли).

По мере того, как частицы солнечного ветра удаляются от звезды, им становится все труднее сопротивляться давлению межзвездного вещества. Постепенно солнечный ветер замедляется, а составляющие его частицы начинают изменять направление своего движения и сбиваться в кучу. Эта область получила название границы ударной волны (termination shock).

Читатель может легко создать модель границы ударной волны у себя дома. Для этого надо пойти на кухню и открыть кран с водой. Вокруг точки, где струя ударяется о поверхность раковины, образуется водяной круг. Внутри этого круга вода "разбегается" по его радиусам. На границах круга образуется область, где молекулы воды прекращают прямолинейное движение, а высота водяного слоя увеличивается. Это - граница ударной волны.

Несмотря на растущее сопротивление, частицы солнечного ветра могут удалиться от Солнца еще на расстояние около 40 а.е. Преодолеть этот предел большинство из них уже не в силах. Область, где солнечный ветер превращается в штиль, называется гелиопаузой (heliopause).

Приблизительно через 230 а.е. проходит еще одна граница Солнечной системы, образовавшаяся из-за ее движения вокруг центра нашей Галактики - Млечного Пути. Так называемая головная ударная волна (bow wave) образуется межзвездным веществом при столкновении с Солнечной системой (включая все описанные выше границы). Процесс, аналогичный образованию главной ударной волны, происходит перед носом движущегося по воде судна.

Все дело в атомах

Созданный специалистами NASA аппарат IBEX должен детально исследовать происходящие на границах Солнечной системы процессы. Он не будет подниматься ни к одной из них, так как для этого ему пришлось бы лететь долгие годы (так как одна астрономическая единица составляет 149,6 миллионов километров). IBEX будет работать на высоте около 320 тысяч километров – это примерно 5/6 расстояния от Земли до Луны. Для сравнения, высота орбиты Международной космической станции составляет около 240 километров.

В отличие от большинства других спутников, выполняющих научные измерения, IBEX будет "ловить" не свет, а частицы. Высота, на которой будет обращаться IBEX, выбрана не случайно. На расстоянии 320 тысяч километров почти не чувствуется влияние магнитного поля нашей планеты, которое "производит" частицы, аналогичные тем, которые должен "ловить" IBEX. Спутник будет собирать энергетические нейтральные атомы (Energetic Neutral Atom - ENA). Что это за частицы и как они связаны с границами Солнечной системы?

Энергетические нейтральные атомы образуются, когда "случайные" атомы из межзвездного пространства сталкиваются с положительно заряженными ионами, которые с высокой скоростью движутся вокруг Солнечной системы (в широком смысле этого термина). При столкновении активные ионы "отбирают" у атомов недостающие электроны и превращаются в энергетические нейтральные атомы.

Откуда берутся эти ионы? По законам физики, направленное движение заряженных частиц создает вокруг себя магнитное поле, которое "притягивает" другие заряженные частицы. У границ Солнечной системы магнитное поле создается солнечным ветром.

Итак, часть из притянутых солнечным ветром ионов при столкновении с атомами из межзвездного вещества теряют свой заряд. Как только это происходит, энергетические нейтральные атомы перестают взаимодействовать с магнитным полем и продолжают движение в том же направлении, в котором они двигались в момент "перерождения". Часть из них будет устремлено в сторону Земли, где их сможет "поймать" IBEX.

Так как энергетические нейтральные атомы движутся практически по прямой (практически – так как их путь несколько искривляется под воздействием гравитации Солнца), по тому, когда, где и с какой силой они столкнулись с детекторами IBEX, астрономы могут вычислить их положение на границе ударной волны тогда, когда они еще были ионами.

"Собрав" большое количество частиц, IBEX сможет "нарисовать" границу ударной волны Солнечной системы. IBEX должен проработать около двух лет. Однако в случае успеха астрономы не исключают, что миссия аппарата, стоимостью около 165 миллионов долларов (совсем немного, по меркам NASA), может быть продлена.

Несмотря на небольшой бюджет, ученые многого ждут от нового спутника. Впервые земной аппарат "Вояджер-1" пересек границу Солнечной системы в 2004 году. "Вояджер-2" сделал это в 2007 году. Оба аппарата проводили измерения, однако узнать удалось совсем немного. Один из участников проекта IBEX Эрик Кристиан (Eric Christian) лучше всех охарактеризовал его цели: "Мы собираемся увидеть то, чего не понимаем".