Учёные обосновывают необходимость запуска межзвёздного зонда для изучения гелиосферы

Солнце нагревает Землю, делая её пригодной для жизни людей и животных. Но это не всё, что оно делает, — оно влияет на гораздо большую область пространства. Гелиосфера — область пространства, на которую влияет Солнце, — более чем в сто раз превышает расстояние от Солнца до Земли.

Солнце — это звезда, которая постоянно испускает непрерывный поток плазмы — высокоэнергетического ионизированного газа — называемый солнечным ветром. Помимо постоянного солнечного ветра, на Солнце время от времени происходят выбросы плазмы, называемые корональными выбросами массы, которые могут способствовать появлению авроры, и вспышки света и энергии, называемые факелами.

Плазма, выходящая из Солнца, расширяется в пространстве вместе с магнитным полем Солнца. Вместе они образуют гелиосферу в окружающей локальной межзвёздной среде — плазме, нейтральных частицах и пыли, которые заполняют пространство между звёздами и их соответствующими астросферами. Гелиофизики вроде меня хотят понять, что такое гелиосфера и как она взаимодействует с межзвёздной средой.

Восемь известных планет Солнечной системы, пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера — группа небесных объектов за Нептуном, включающая планетоид Плутон, — все они находятся в гелиосфере. Гелиосфера настолько велика, что объекты пояса Койпера находятся ближе к Солнцу, чем к ближайшей границе гелиосферы.

Защита гелиосферы

При взрыве далёких звёзд они выбрасывают в межзвёздное пространство большое количество радиации в виде высокоэнергетических частиц, называемых космическими лучами. Эти космические лучи опасны для живых организмов и могут повредить электронные устройства и космические корабли.

Атмосфера Земли защищает жизнь на планете от воздействия космического излучения, но ещё раньше сама гелиосфера выступает в роли космического щита от большинства межзвёздных излучений.

Помимо космического излучения, в гелиосферу из местной межзвёздной среды постоянно поступают нейтральные частицы и пыль. Эти частицы могут влиять на окружающее Землю пространство и даже изменять то, как солнечный ветер достигает Земли.

Сверхновые и межзвёздная среда также могли повлиять на зарождение жизни и эволюцию человека на Земле. Некоторые исследователи предполагают, что миллионы лет назад гелиосфера вступила в контакт с холодным, плотным облаком частиц в межзвёздной среде, которое заставило гелиосферу сжаться, открыв Земле доступ к местной межзвёздной среде.

Неизвестная форма

Но учёные до сих пор не знают, какова форма гелиосферы. Модели варьируются от сферической до кометной до похожей на круассан. Их размеры варьируются в сотни и тысячи раз по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли.

Однако учёные определили направление, в котором движется Солнце, как «нос», а противоположное направление — как «хвост». Носовое направление должно иметь наименьшее расстояние до гелиопаузы — границы между гелиосферой и местной межзвёздной средой.

Пока ни один зонд не смог хорошо рассмотреть гелиосферу извне или правильно отобрать пробы местной межзвёздной среды. А это могло бы рассказать учёным больше о форме гелиосферы и её взаимодействии с местной межзвёздной средой — космическим пространством за пределами гелиосферы.

Пересечение гелиопаузы «Вояджером»

В 1977 году НАСА запустило миссию «Вояджер»: Два космических аппарата пролетели мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна во внешней части Солнечной системы. Учёные установили, что после наблюдения за этими газовыми гигантами зонды по отдельности пересекли гелиопаузу и вышли в межзвёздное пространство в 2012 и 2018 годах соответственно.

Хотя «Вояджер-1» и «Вояджер-2» — единственные зонды, которые когда-либо потенциально пересекали гелиопаузу, их срок службы уже давно истёк. Они больше не могут возвращать необходимые данные, поскольку их приборы постепенно выходят из строя или отключают питание. [это не совсем так / прим. перев.]

Эти космические аппараты были разработаны для изучения планет, а не межзвёздной среды. Это означает, что у них нет нужных инструментов для проведения всех необходимых учёным измерений межзвёздной среды или гелиосферы.

Вот где может пригодиться потенциальная миссия межзвёздного зонда. Зонд, предназначенный для полёта за гелиопаузу, поможет учёным понять гелиосферу, наблюдая за ней извне.

Межзвёздный зонд

Поскольку гелиосфера очень велика, зонду потребуются десятилетия, чтобы достичь её границы, даже с помощью гравитационной поддержки со стороны такой массивной планеты, как Юпитер.

Космический аппарат «Вояджер» перестанет получать данные из межзвёздного пространства задолго до того, как межзвёздный зонд выйдет за пределы гелиосферы. А после запуска нового зонда, в зависимости от траектории, ему потребуется около 50 или более лет, чтобы достичь межзвёздной среды. Это означает, что чем дольше НАСА будет ждать запуска зонда, тем дольше учёные будут оставаться без миссий, работающих во внешней гелиосфере или в локальной межзвёздной среде.

НАСА рассматривает возможность разработки межзвёздного зонда. Этот зонд будет проводить измерения плазмы и магнитных полей в межзвёздной среде и делать снимки гелиосферы извне. Чтобы подготовиться к этому, НАСА обратилось к более чем 1000 учёных с просьбой представить концепцию миссии.

В первоначальном отчёте было рекомендовано направить зонд по траектории, отстоящей от направления носа гелиосферы примерно на 45 градусов. Эта траектория повторит часть пути «Вояджера», но при этом достигнет новых областей космоса. Таким образом, учёные смогут изучить новые регионы и вновь посетить некоторые частично известные области космоса.

Такой путь даст зонду лишь частичный обзор гелиосферы под углом, и он не сможет увидеть гелиохвост — область, о которой учёные знают меньше всего.

По прогнозам учёных, в гелиохвосте плазма, составляющая гелиосферу, смешивается с плазмой, составляющей межзвёздную среду. Это происходит в результате процесса, называемого магнитным пересоединением, который позволяет заряженным частицам проникать из местной межзвёздной среды в гелиосферу. Подобно нейтральным частицам, попадающим через нос, эти частицы влияют на космическую среду внутри гелиосферы.

Однако в данном случае частицы имеют заряд и могут взаимодействовать с солнечными и планетарными магнитными полями. Хотя эти взаимодействия происходят на границах гелиосферы, очень далеко от Земли, они влияют на состав внутренней части гелиосферы.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, мы с коллегами проанализировали шесть потенциальных направлений запуска — от носа до хвоста. Мы пришли к выводу, что траектория, пересекающая фланг гелиосферы в направлении хвоста, позволит получить наилучшее представление о форме гелиосферы, а не выходить близко к носу.

Траектория по этому направлению предоставит учёным уникальную возможность изучить совершенно новую область пространства внутри гелиосферы. Когда зонд выйдет из гелиосферы в межзвёздное пространство, он получит вид на гелиосферу снаружи под углом, что позволит учёным получить более детальное представление о её форме — особенно в спорной хвостовой области.

В конце концов, в каком бы направлении ни был запущен межзвёздный зонд, научные данные, которые он вернёт, будут бесценными и в буквальном смысле астрономически важными.