Межзвездное пространство за пределами нашей Солнечной системы всегда было загадочным темным вакуумом для людей на Земле, и теперь его секреты наконец-то раскрыты первыми рукотворными объектами, покинувшими нашу Солнечную систему - двумя бесстрашными космическими кораблями.
Край нашей Солнечной системы, удаленный от защиты Солнца, кажется холодным, пустым, темным местом. Долгое время люди думали, что огромное пространство между нашей Солнечной системой и ближайшими звездами - это пугающая пустота.
До недавнего времени край нашей Солнечной системы был загадочным пространством, в которое люди могли заглядывать лишь издалека. Астрономы часто проходили мимо него, предпочитая фокусировать свои телескопы на светящейся материи соседних звезд, галактик и туманностей.
Но за последние несколько лет два космических аппарата, построенных и запущенных в 1970-х годах, долетели до этой странной области, которую мы называем межзвездным пространством, и вернули изображения, которые дают нам первый взгляд на то, как на самом деле выглядит это загадочное пространство. Будучи первыми построенными людьми объектами, покинувшими нашу Солнечную систему, эти два космических аппарата исследуют неизведанную территорию в миллиардах миль от Земли. Еще ни один космический корабль не залетал так далеко в космос.
Эти два космических аппарата также показали, что за границами нашей Солнечной системы существует область материи, которая, хотя и невидима невооруженным глазом, является довольно активной, хаотичной и турбулентной.
Мишель Баннистер, астроном из Университета Кентербери в Крайстчерче (Новая Зеландия), изучающий внешние регионы нашей Солнечной системы, говорит: "Глядя на различные части электромагнитного спектра, вы видите, что эта часть космоса сильно отличается от темноты, которую мы видим невооруженным глазом. Здесь электромагнитные явления взаимодействуют, толкают друг друга, запутывают и перемешивают друг друга и очень активны. Вы можете представить себе стремительные воды Ниагарского водопада".
Космические лучи от взрывов сверхновых выбрасываются во всех направлениях в межзвездное пространство.
Космические лучи от взрывов сверхновых выбрасываются в межзвездное пространство во всех направлениях.
Но в отличие от воды, несущейся и бурлящей под Ниагарским водопадом, турбулентность во внешней Солнечной системе является результатом солнечного ветра. Солнечный ветер - это непрерывный поток сверхбыстрых заряженных частиц, или плазмы, выбрасываемый Солнцем во внешнюю часть Солнца, который замедляется и разрушается, достигая края Солнечной системы, смешиваясь с газом, пылью и космическими лучами, проходящими между галактиками в так называемой "межзвездной среде".
За последние сто лет, полагаясь в основном на наблюдения радио-и рентгеновских телескопов, ученые набросали картину состава межзвездной среды, показав, что она состоит из чрезвычайно рассеянных ионизированных атомов водорода, космической пыли и космических лучей, а также плотных межзвездных молекулярных облаков. Молекулярные облака - это место, где рождаются новые звезды. Наша Солнечная система образовалась в результате распада гигантского молекулярного облака 4,5 миллиарда лет назад.
Однако точная природа межзвездной среды за пределами нашей Солнечной системы остается в значительной степени загадкой, главным образом потому, что вся Солнечная система, а именно Солнце, его восемь планет и чрезвычайно удаленная, похожая на плотный диск область микроскопических объектов, называемая поясом Койпера, заключена в огромный защитный пузырь, образованный солнечным ветром, - пузырь, похожий на воздушный шар, называемый гелиосферой. (также переводится как гелиосфера). Этот большой пузырь солнечного ветра действует как невидимый щит против межзвездной среды, удерживая большинство вредных космических лучей и других материалов за пределами Солнечной системы и защищая жизнь на Земле, пока Солнце быстро движется через галактику со своими планетами.
Но спасительные свойства гелиосферы (солнечной сферы) также затрудняют изучение межзвездного пространства за пределами этого пузыря. Трудно определить размер и форму гелиосферы даже из недр нашей Солнечной системы.
Это как когда вы находитесь в своем собственном доме и хотите узнать, как он выглядит, вам нужно выйти на улицу и посмотреть на него, чтобы действительно определить", - говорит Елена Проворникова, постдокторский исследователь из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Единственный способ узнать, как на самом деле выглядит гелиосфера, - это выйти за пределы Солнечной системы, а затем оглянуться назад, чтобы сделать снимки за пределами гелиосферы".
Это нелегкая задача. По сравнению со всей галактикой наша Солнечная система похожа на что-то меньшее, чем рисовое зернышко, плавающее посреди Тихого океана. Однако внешний край гелиосферы (солнечной сферы) все еще настолько далек, что двум космическим аппаратам, "Вояджер-1" и "Вояджер-2", потребовалось более 40 лет, чтобы достичь его после взлета с Земли.
Вояджер-1, который прошел более прямой путь через Солнечную систему, первым вышел в межзвездное пространство в 2012 году, за ним последовал Вояджер-2 в 2018 году. В настоящее время оба космических аппарата находятся на расстоянии около 13 и 11 миллиардов миль от Земли, соответственно, и продолжают улетать в космическое пространство все дальше от нашей Солнечной системы. По мере удаления от Солнечной системы оба космических аппарата передают на Землю все больше данных. (Более подробную информацию о "Вояджере" можно найти в статье BBC "Вояджер: величайшая космическая миссия человека". (ссылка на английском языке)
Два космических аппарата "Вояджер", размером с автомобиль, были запущены в 1977 году и в настоящее время отправляют на Землю данные зонда из межзвездного пространства далеко от нашей Солнечной системы.
Два космических аппарата "Вояджер" размером с автомобиль были запущены в 1977 году и сейчас посылают на Землю зонды из межзвездного пространства далеко от нашей Солнечной системы.
Эти два "вековых" космических зонда раскрыли истинную природу границы между солнечной сферой и межзвездной средой, проливая новый свет на то, как сформировалась наша Солнечная система и как может существовать жизнь на Земле. В действительности, край нашей Солнечной системы - это не четкая граница, а активный пояс хаоса, в котором вращаются магнитные поля, сталкиваются звездные бури, бури высокоэнергетических частиц и вращающееся излучение.
Размер и форма гелиосферного пузыря меняются по мере изменения мощности солнечного ветра и прохождения Солнечной системы через различные регионы межзвездной среды. Когда солнечный ветер поднимается или опускается, он также изменяет внешнее давление на гелиосферный пузырь.
В 2014 году активность Солнца резко возросла, породив солнечную бурю, которая пронеслась по межпланетному пространству. Шторм сначала ударил по Меркурию и Венере со скоростью 800 километров в секунду. Через два дня, пройдя 150 миллионов километров, солнечная буря окружила Землю, но, к счастью, магнитное поле нашей планеты смогло блокировать солнечный ветер и защитить жизнь на Земле от мощного радиационного воздействия солнечного ветра.
Через день эта мощная солнечная буря пронесется мимо Марса, пересечет пояс астероидов и направится к далеким газовым гигантам (Юпитеру, Сатурну, Урану). Чуть более чем через два месяца он пронесется обратно к Нептуну, который вращается на расстоянии почти 4,5 миллиарда километров от Солнца.
Спустя более чем шесть месяцев эта солнечная буря, наконец, достигает пространства, известного как "конечный всплеск", на расстоянии более 13 миллиардов километров от Солнца. Здесь солнечное магнитное поле, которое приводит в движение солнечный ветер, стало настолько слабым, что давление межзвездной среды взаимодействует с солнечным ветром, замедляя бурю.
К концу 2015 года эта солнечная буря настигла "Вояджер-2" неправильной формы, размером с небольшой автомобиль. Сорокалетний датчик "Вояджера-2", работающий на медленно распадающемся плутониевом элементе, обследовал солнечную бурю и обнаружил, что количество плазмы солнечного ветра резко возросло.
Затем зонд передал данные обратно на Землю, на что ушло 18 часов даже при скорости света. Астрономы смогли принять информацию "Вояджера" благодаря огромному массиву спутников-блюдец высотой 70 метров и передовым технологиям, которые невозможно было представить, не говоря уже об изобретении, когда "Вояджер" покинул Землю в 1977 году.
Фотогалерея: Испытайте "Красную планету" в "марсоподобном ландшафте" на Земле
Возможно ли поселиться на астероиде в нашей Солнечной системе?
Правда: судьба Земли изменилась после столкновения с метеоритом
Солнце постоянно выбрасывает наружу потоки высокоэнергетических частиц, называемых солнечным ветром. Солнечный ветер может усиливаться или замедляться в зависимости от силы активности Солнца.
Солнце постоянно выбрасывает наружу потоки энергичных частиц, известных как солнечный ветер. Солнечный ветер может усиливаться или замедляться в зависимости от силы активности Солнца.
Эта солнечная буря встретила "Вояджер-2", когда этот космический зонд еще находился в нашей Солнечной системе. Более чем через год последние умирающие остатки солнечной бури настигли и "Вояджер-1", который вышел в межзвездное пространство еще в 2012 году.
Два космических зонда прошли по разным маршрутам через Солнечную систему: один на 30 градусов выше плоскости эклиптики Солнечной системы, а другой - на 30 градусов ниже. Это дает полезный ключ к разгадке природы гелиопаузы (также переводится как гелиопауза, граница, на которой солнечный ветер сталкивается с межзвездной средой и замирает).
Данные с "Вояджера" показывают, что эта турбулентная граница, называемая гелиопаузой, имеет толщину в несколько миллионов километров и охватывает гелиосферу (гелиосферу), площадь поверхности которой составляет миллиарды квадратных километров.
Гелиосфера (солнечная сфера) также удивительно велика, что говорит о том, что плотность межзвездной среды в этой части галактики ниже, чем можно было бы ожидать. Солнце прокладывает путь через межзвездное пространство Млечного Пути, подобно кораблю, плывущему по воде, оставляя за собой "носовую волну" и след, возможно, с одним или несколькими хвостами, похожими на кометы. Оба "Вояджера" взлетели с "носа" гелиосферного пузыря, поэтому данные о гелиосферном хвосте отсутствуют.
Толщина верхнего слоя солнечного ветра оценивается примерно в одну астрономическую единицу на основе данных "Вояджера", - говорит Провоникова. Но на самом деле это не поверхность гелиосферы. Это регион со сложной деятельностью. Мы не знаем, что там происходит". Одна астрономическая единица представляет собой среднее расстояние между Землей и Солнцем, которое составляет 93 миллиона миль.
В этой пограничной области между Солнечной системой и межзвездным пространством не только существует турбулентность, создаваемая солнечным и межзвездным ветром (потоками частиц из межзвездного пространства), устремляющимися и притягивающимися друг к другу, но и частицы солнечного ветра и межзвездной среды, похоже, обмениваются зарядом и импульсом. В результате часть межзвездной среды преобразуется в солнечный ветер, который может усилить внешнюю тягу гелиосферного пузыря.
Хотя солнечная буря может предоставить интересные данные, удивительно, что солнечные бури, похоже, мало влияют на общий размер и форму гелиосферного пузыря. Кажется, что то, что происходит за пределами круга, гораздо важнее для гелиосферы, чем то, что происходит внутри него. Ни усиление, ни ослабление солнечного ветра со временем не оказывает существенного влияния на гелиосферный пузырь. Однако если солнечный пузырь попадает в какую-либо область галактики, то плотность встреченных межзвездных ветров будет влиять на размер солнечной сферы, будет ли она расти или уменьшаться.
Но до сих пор остается много вопросов без ответов о солнечном пузыре, который окружает и защищает нашу Солнечную систему, например, является ли этот пузырь, образованный солнечным ветром, особым явлением или закономерностью во Вселенной.
Когда наша Солнечная система движется по орбите через межзвездную среду в нашей галактике, окружающий ее солнечный пузырь образует длинный хвост.
Когда Солнечная система движется по орбите в межзвездной среде Млечного Пути, гелиосферный пузырь, окружающий Солнечную систему, образует длинный хвост
Пловоникова говорит, что расширение знаний о солнечной сфере увеличивает понимание вопроса о том, одиноки ли люди во Вселенной как разумные существа.
Она говорит, что "исследования, проведенные в ее собственной галактике, подскажут нам, какие условия необходимы для развития жизни в других звездных системах".
Во многом это происходит потому, что солнечный ветер блокирует межзвездную среду от проникновения в Солнечную систему, а также предотвращает воздействие радиации и смертоносных энергичных частиц (таких как космические лучи) из глубин космоса, которые угрожают жизни на Земле. Космические лучи - это заряженные, высокоэнергетические субатомные частицы, которые приходят из космоса и приближаются к скорости света. Космические лучи образуются при взрыве звезд, коллапсе галактик в черные дыры и других катастрофических космических событиях. Межзвездное пространство за пределами нашей Солнечной системы заполнено постоянными струями высокоскоростных субатомных частиц, которые были бы достаточно мощными, чтобы нанести смертельный радиационный ущерб планете, не имеющей защиты.
Джейми Ранкин, исследователь физики Солнца в Принстонском университете и первый ученый, написавший докторскую диссертацию на основе межзвездных данных, собранных "Вояджером", сказал: "Данные "Вояджера" однозначно говорят нам, что 90 процентов этого космического излучения отфильтровывается Солнцем. Без защиты солнечного ветра я не знаю, выжили бы мы, люди".
Три других космических зонда НАСА скоро выйдут в межзвездное пространство, чтобы присоединиться к "Вояджеру", хотя два из них больше не будут передавать данные на Землю, потому что у них закончилась энергия. Эти крошечные точки могут дать лишь ограниченную информацию об обширных границах солнечной сферы. К счастью, более обширные наблюдения можно проводить в космосе, ближе к нашему дому на Земле.
В 2008 году НАСА запустило микроспутник Interstellar Boundary Explorer (Ibex), вращающийся вокруг Земли, чтобы составить карту границы между солнечной сферой и межзвездным пространством. Ibex обнаруживает полосу частиц, называемых "высокоэнергетическими нейтральными атомами", выбрасываемых из межзвездной границы.
Ibex обнаруживает полосу энергичных нейтральных атомов, отраженных галактическим магнитным полем от края гелиосферы обратно в Солнечную систему.
Ibex обнаруживает полосу энергичных нейтральных атомов, отраженных галактическим магнитным полем от края гелиосферы обратно в Солнечную систему.
Рэнкин сказал: "Вы можете думать о картировании Ibex как о своего рода "доплеровском радаре", который измеряет видимую скорость звезд, а Voyager - как о наземной метеостанции". Рэнкин использует данные с "Вояджера", "Ибекса" и других спутников для анализа менее масштабных солнечных бурь. В настоящее время она работает над статьей, основанной на данных о солнечных бурях, начавшихся в 2014 году. Уже есть доказательства того, что гелиосфера сжималась, когда "Вояджер-1" пересекал границу, но расширялась, когда "Вояджер-2" пересекал границу.
Она говорит: "Это довольно динамичная граница, и замечательно, что 3D-карта Ibex запечатлела эту находку, что позволяет нам одновременно отслеживать реакцию "Вояджера" на месте, когда произошло событие".
Но история долгого путешествия "Вояджера" все еще остается долгой. Хотя два космических зонда покинули солнечную сферу (гелиосферу), они все еще находятся в сфере влияния Солнца. Например, свет Солнца по-прежнему можно увидеть и распознать невооруженным глазом. Кроме того, гравитационное притяжение нашего Солнца распространяется далеко за пределы гелиосферы и способно втянуть в себя очень разреженное и массивное сферическое облако льда, пыли и космического мусора. Этот объект, похожий на облако, называется облаком Оорта.
Несмотря на то, что материал облака Оорта плавает в далеком межзвездном пространстве, он все еще вращается вокруг Солнца. Хотя некоторые кометы в нашей Солнечной системе происходят из облака Оорта, запускать зонды к облаку Оорта, которое находится на расстоянии от 300 миллиардов до 1,5 триллиона километров, слишком далеко.
Эти чрезвычайно далекие объекты, которые почти не изменились с момента образования нашей Солнечной системы, могут содержать ключ к ответу на все вопросы о том, как формируются планеты и как может возникнуть жизнь в нашей Вселенной. С каждой новой волной данных появляется новая загадка и вопрос.
Вояджер-1" вышел в межзвездное пространство в 2012 году, в 100 астрономических единицах от Солнца, но ему потребуется еще 300 лет полета, чтобы достичь огромного облака Оорта.
Вояджер-1" вышел в межзвездное пространство в 2012 году, в 100 астрономических единицах от Солнца, но за 300 лет до достижения огромного облака Оорта.
Провоникова говорит, что может существовать слой водородного газа, покрывающий часть или всю гелиосферу, и его влияние на гелиосферу еще не расшифровано. Кроме того, солнечная сфера, по-видимому, пересекает межзвездное облако частиц и пыли, оставшееся после древнего космического события в Млечном Пути, известного в астрономии как Местное межзвездное облако (ММО). Как это межзвездное облако влияет на границы солнечной сферы и нашу земную жизнь, протекающую в ней, также еще предстоит изучить.
По словам Пловониковой, межзвездное облако "может изменить размер и форму солнечной сферы". Там могут быть разные температуры, разные магнитные поля, разные ионизированные тела и все эти разные параметры. Это очень интересно, потому что это область, где много неизвестных, и мы все еще очень мало знаем о взаимодействии между Солнцем и нашей собственной галактикой (т.е. Млечным путем)".
Но как бы там ни было, эти два боевых зонда "Вояджер", размером с небольшой автомобиль, прикрепленные металлическими болтами к маленьким параболическим антеннам, выступят в роли первопроходцев нашей Солнечной системы в нашем путешествии в космос, первыми отважившись на странное и неизвестное космическое царство и раскрыв его секреты.
