При помощи данных спутника для изучения межзвёздного пространства IBEX астрономы создали первую трёхмерную карту границы гелиосферы Солнечной системы. Для определения границ гелиосферы в качестве источника сигнала использовали солнечный ветер, а принцип картирования напоминает методику эхолокации, которой пользуются летучие мыши для определения положения препятствий в темноте.
Солнечная система и её гелиосфера.
Гелиосфера — это «пузырь» вокруг Солнечной системы, созданный солнечным ветром, то есть в основном потоком заряженных частиц — протонов, электронов, альфа-частиц. Она распространяется далеко за орбиты планет в межзвёздное пространство и защищает Землю от межзвёздного космического излучения. Гелиосфера, как видно на схеме, имеет разную протяжённость в зависимости от направления — тоньше всего она в направлении движения Солнца по орбите в Галактике. Два аппарата «Вояджер» уже прошли эту границу именно в этом направлении (об этом см. отдельную статью). Иногда границу гелиосферы несколько свободно понимают как «границу Солнечной системы», хотя это и не совсем корректно; правильнее говорить о ней как об области, в которой солнечный ветер ещё защищает внутренние участки Солнечной системы от внешнего излучения, или как о начале межзвёздной среды. Под «настоящей» границей Солнечной системы часто имеется в виду граница, дальше которой перестаёт доминировать притяжение Солнца, или сфера Хилла. Она расположена в тысячу раз дальше крайних областей гелиосферы, а «Вояджеры» долетят туда не раньше, чем через 40 тысяч лет.
Космические аппараты, достигшие границ гелиосферы.
Данные спутника IBEX (Interstellar Boundary Explorer) использовали для точного определения границы гелиосферы. Этот спутник фиксирует частицы, которые приходят от гелиосферной мантии, или пограничного слоя между Солнечной системой и межзвёздным пространством. Край этой зоны называют гелиопаузой. В этой области солнечный ветер в направлении от Солнца сталкивается с межзвёздным ветром, направленным к Солнцу.
Для таких измерений астрофизики применили принцип эхолокации (сонара); летучие мыши используют его для ориентации в темноте при помощи ультразвука. В данном случае в качестве источника сигнала для космического «эхолота» использовали сам солнечный ветер, который распространяется во всех направлениях. Спутник IBEX производит измерения параметров высокоэнергетических нейтральных атомов (ENA, energetic neutral atoms), возникающих при столкновениях частиц солнечного и галактического ветров. Интенсивность такого сигнала зависит от интенсивности солнечного ветра, который доходит до границы гелиосферы. Из всего многообразия космических частиц именно нейтральные атомы не отклоняются в магнитном поле Солнца, поэтому при их попадании на детекторы спутника можно точно отследить направление, откуда они прилетели. Обработка данных IBEX за несколько лет позволила построить первую карту границы гелиосферы, то есть трёхмерную карту расстояний до этой границы в зависимости от направления. Одна из недавних статей по результатам этого цикла исследований вышла летом 2021 года в The Astrophysical Journal.
Первая трёхмерная «карта» границы гелиосферы по данным спутника IBEX. Los Alamos National Laboratory.
Интенсивность «эхо-сигнала» солнечного ветра изменяется со временем в соответствии с состоянием Солнца, то есть солнечными циклами. Поэтому такой отосланный в космическое пространство сигнал обладает своей сигнатурой, и по ней можно отследить отражённый через некоторое время от границы гелиосферы сигнал, который зафиксирует спутник. В зависимости от солнечной активности границы гелиосферного «пузыря» меняются: так, ощутимое усиление солнечного ветра в 2014 году привело к его «раздуванию», соответственно в периоды спокойного Солнца он сжимается, что достаточно понятно интуитивно. Время путешествия сигнала в обе стороны составляет от двух до шести лет в зависимости от энергии частиц ENA и направления, с которого спутник улавливает эти частицы. Именно по задержке времени между уходом определённого паттерна сигнала от Солнца и приходом аналогичного паттерна в отражённом сигнале можно определить расстояние, на котором произошло отражение, то есть точку встречи солнечного и галактического ветра на границе гелиосферы. Анализ обычно проводят, используя в качестве стандартного математического аппарата автокорреляцию сигнала, то есть сравнение участков сигнала, разделённых промежутком времени. Если удачно подобрать этот промежуток, выбрав его точно равным времени прохождения сигнала до границы и назад, отражённый сигнал будет похож на отправленный. Такой же метод можно применить для анализа сейсмических сигналов, сравнивая картину сейсмоволн, ушедших вглубь почвы в начальный момент (например, от землетрясения) и через какое-то время вернувшихся при отражении от некоторой границы в глубине планеты. Таким образом единственный сейсмометр на Марсе — станция InSight исследует внутреннюю структуру Марса и положение основных его границ, в частности, размеры ядра и мантии. Подробнее об этом, а также о технике автокорреляции для анализа таких сигналов можно прочитать в отдельной большой статье на нашем сайте; также см. её продолжение по недавним результатам, позволившим наконец определить размеры марсианского ядра.
«Полоса» из высокоэнергетичных нейтральных атомов (ENA), или «Полоса IBEX» на границе гелиосферы — одно из пока малопонятных открытий при изучении межзвёздного пространства возле Солнечной системы. NASA/IBEX.
Для составления трёхмерной карты границы гелиосферы использовали данные, собранные на протяжении полного солнечного цикла с 2009 по 2019 год. Теперь, например, известно, что вид этого «гелиосферного пузыря» напоминает комету с «хвостом» длиной не менее 350 астрономических единиц (расстояний между Землёй и Солнцем; 1 а.е.= 150 млн км, радиус орбиты Нептуна составляет 30 а.е., а Юпитер находится на расстоянии всего 5 а.е. от Солнца). Но это значение — просто верхний предел возможностей спутника IBEX по измерению расстояния; насколько в действительности хвост простирается дальше этой отметки, неизвестно. Естественно, хвост, как и у комет, направлен в сторону, противоположную направлению движения Солнца по галактической орбите. В другую сторону, к «голове», минимальное расстояние до границы составляет 110—120 а.е. Это как раз направление, в котором были отправлены «Вояджеры», и данные от их приборов (момент их прохождения гелиопаузы) согласуются с этими значениями. На больших широтах, то есть в стороны от плоскости движения Солнца по галактической орбите, гелиопауза продолжается до расстояний от 150 до 175 а.е. — рисунок границы не вполне симметричный по отношению к направлению движения Солнца, и её положение определяется сложным взаимодействием с межзвёздными структурами, в частности, с галактическим магнитным полем. Одно из знаковых ранних открытий IBEX — странная «полоса» с аномально высокой концентрацией отражённых частиц ENA, которая проходит по отношению к гелиосферной границей под косым углом. Считают, что именно вдоль этой полосы частицы солнечного ветра наталкиваются на какую-то структуру в межзвёздном пространстве, вероятно, обусловленную распределением линий магнитного поля, из-за чего увеличивается их отражённый поток назад к детектору спутника.
Спутник IBEX, запущенный в 2008 году, продолжит работу с плановым сроком службы по меньшей мере до 2025 года. Затем ему на смену должен прийти следующий космический проект, Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP). Одной из его основных задач будет продолжение работы IBEX, то есть исследование взаимодействия солнечного ветра с межзвёздной средой.
Источник: