Содержание
Структура
Внешнее строение гелиосферы включает в себя:
- солнечный ветер;
- гелиосферный токовый слой.
Что такое солнечный ветер?
Всё необъятное пространство космоса заполнено атомами, хотя их концентрация ничтожна. Однако в звёздах присутствуют лишь элементарные частицы: протоны, нейтроны, электроны, адроны и лептоны.
Представим, что адроны и лептоны состоят из ещё не изученных частиц (назовём их мини-частицами). Все частицы нашего мира, в том числе атом, – это вихри из соответствующих меньших частиц. В звёздах постоянно происходят цепные термоядерные реакции. Мы наблюдаем это как свечение.
Вихрь поставляет в реактор звезды новые порции топлива. Термоядерные реакции продолжаются за счёт образования постоянного и непрерывного потока мини-частиц. По пути проходя звёздную корону, вновь рождённые адроны и лептоны объединяются, образуя ядра атомов и даже в некоторых случаях атомы. Такой поток частиц мы регистрируем в виде солнечного ветра.
Чаще всего он состоит из протонов, ядер гелия и электронов. Здесь в незначительных количествах присутствуют также ядра тяжёлых элементов. На расстоянии Земли, т.е. около 150 млн км от Солнца, частицы движутся со скоростью от 300 до 800 км/с. Интенсивность солнечного ветра (солнечные циклы) непостоянна и зависит от активности светила, точнее термоядерных процессов. Солнечный ветер образует вокруг Солнечной системы подобие кокона, который назвали гелиосферой.
Гелиосферный токовый слой не что иное, как электромагнитные волны, создаваемые Солнцем. Он простирается за границей гелиосферы и имеет форму развевающейся пышной юбки.
Внутреннее строение гелиосферы включает:
- Головную ударную волну (место столкновения межзвёздного газа и межзвёздного магнитного поля с плазмой солнечного ветра, при котором межзвёздный ветер уменьшает свою скорость).
- Гелиопаузу (область, где давление ионизированных частиц солнечного ветра и межгалактического вещества выравнивается, в результате чего частицы замедляют свою скорость и возникает ударная волна).
- Гелиомантию (из-за начавшегося взаимодействия Солнца и межгалактического вещества гелиосфера, по форме напоминающая развевающуюся юбку, становится турбулентной и вытянутой).
- Границу ударной волны (участок, на котором ионизированные солнечные частицы замедляют свою скорость).
Головная ударная волна – не обязательный компонент гелиосферы. Её может не быть, если скорость наплывающего солнечного ветра недостаточно велика по сравнению с движением межзвёздной среды (84 000 км/ч и менее). К таким выводам помог прийти «Вояджер». Если же волна присутствует, то выходит за пределы гелиосферы.
Форма
Несмотря на название, гелиосфера представляет собой далеко не шар. Учёные по сей день дискутируют о её форме. Верным было бы сказать, что для того, чтобы определить форму гелиосферы, необходимо знать её границы.
В течение долгого времени в астрофизике господствовала теория о кометообразной форме, с «хвостом», повёрнутым в противоположном движению Солнца направлении. Сейчас склоняются в сторону того, что гелиосфера напоминает полумесяц с закруглёнными концами.
Эту модель на основании данных, полученных «Вояджером-1», и компьютерного моделирования в 2015 г. предложили профессор астрономии Мерав Офер из университета Бостона и его коллега Дж. Дрейк из штата Мэриленд. Согласно их теории, два потока галактического излучения распространяются из «носа», а не из «хвоста», как у кометы. Позже, в 2017 г. на основании сведений, полученных от космического зонда «Кассини», учёные пришли к выводу, что гелиосфера всё-таки имеет форму правильного шара.
Из истории изучения
В конце 1950-х гг. американский астрофизик Ю.Н. Паркер сконструировал гидродинамическую модель солнечного ветра, согласно которой он ускоряется и его скорость выходит на постоянное значение, причём свыше скорости звука.
Спустя несколько лет после этого группой К.И. Грингауза из Института космических исследований солнечный ветер был открыт экспериментально советскими космическим аппаратами «Луна-1» и «Луна-2».
Однако модель Ю.Н. Паркера говорит о том, что скорость солнечной плазмы, выходя на плато, распространяется до бесконечности. Солнечная система находится в межзвёздной среде. Для изучения гелиосферы важна структура межзвёздной среды в окрестностях Солнца, на расстоянии нескольких парсек.
Границы
В среде астрофизиков до сих пор открытым остаётся вопрос о границах гелиосферы.
Доктор физико-математических наук, профессор МГУ им. Ломоносова Владислав Валерьевич Измоденов разъясняет, что границы гелиосферы и Солнечной системы не одинаковы. Первая меньше, чем вторая.
Мы живём в одном из локальных частично ионизированных межзвёздных облаков (с числом частиц всего 0,1-0,3/см3), температура которого составляет около 50 000 К. Эти наши локальные облака находятся в горячем и ещё более разрежённом межзвёздном магнитном пузыре.
Тогда возникает чисто газодинамическая задача – о взаимодействии двух сверхзвуковых потоков. Солнечный ветер – расширяющийся сверхзвуковой поток, который сталкивается с набегающим сверхзвуковым галактическим потоком.
Понятно, что, если скорости той и другой среды достаточно большие, смешения не происходит, зато возникает граница (с газодинамической точки зрения это контактный разрыв), отделяющая солнечный ветер от межзвёздного пространства. Она называется гелиопауза (для других звёзд – астропауза).
Гелиопауза и есть граница гелиосферы в строгом понимании. В 2012 г. её пересёк «Вояджер-1», и впервые в истории человечества нечто рукотворное вышло в межзвёздную среду.
С другой стороны, эту контактную поверхность (гелиопаузу) можно представить, как некое препятствие, которое обтекает снаружи межзвёздный газ, а изнутри солнечный ветер. Можно мысленно рассмотреть задачу обтекания какого-то тела сверхзвуковым потоком. Если какое-то тело движется с такой высокой скоростью, возникает ударная волна.
Аналитическая модель распределения плазмы в нём была построена в 1970 г. советскими учёными В.Б. Барановым, К.В. Краснобаевым и А.Г. Куликовским. Эта модель стала господствующей в науке и дальше лишь совершенствовалась: добавлялись различные физические эффекты, убирались некоторые предположения.
По словам В.В. Измоденова, общепринятым до сих пор считается утверждение, что есть внутренняя ударная волна (англ. – termination shock, русск. – гелиосферная ударная волна), гелиопауза – контактная поверхность, собственно граница гелиосферы, и внешняя ударная волна. В 2004 г. «Вояджер-1» перевалил за внутреннюю ударную волну и выявил, что она находится на расстоянии 90 а.е., т.е. в 90 раз дальше, чем путь от нашей планеты до Солнца. В 2012 г.
Функции
Гелиосфера служит для защиты планет Солнечной системы от космической радиации. А. Леб считает немыслимым понимание всей окружающей среды без изучения гелиосферы. Ведь магнитный пузырь защищает нас от радиоактивного излучения, однако мутации, создаваемые им, могут оказаться полезными для выживания. Всё зависит от дозы.
На сегодняшний день науке многое известно о гелиосфере, однако в её изучении остаётся немало белых пятен, в частности ведутся споры о её границах в космосе. Эта проблема на сегодня одна из самых важных, ведь от решения зависят ответы на большинство остальных вопросов: форме, описании, особенностях гелиосферы, применимости научных данных.
Часто спрашивают
Ознакомимся с наиболее популярными вопросами, которые легко помогут разобраться в теме:
Она находится между гелиопаузой и головной ударной волной и заполнена горячим газом. Водород нагревается оттого, что частицы солнечного ветра, столкнувшись с межзвёздным веществом, лишаются своей скорости и кинетическая энергия превращается в тепловую. Некоторые учёные полагают, что эта стена и есть вполне осязаемая граница гелиосферы.
Упрощённо гелиосфера – это то, что заполнено солнечным ветром. Он представляет собой плазму, истекающую из нашей звезды с большой скоростью (которой достаточно, чтобы преодолеть солнечную гравитацию).
Основными космическими зондами служат «Вояджер» и «Пионер».
Профессор РАН В.В. Измоденов считает, что гелиосфера меньше по размерам, чем Солнечная система. Поэтому «Вояджеры» никогда не пересекали границ Солнечной системы, как ошибочно считается.
Уже за Нептуном скорость солнечного ветра понижается. А гелиопауза начинается возле орбиты Плутона.
