О чём говорят Вояджеры

Путешествие в межзвёздном пространстве

Изначально никто не планировал, что космическое странствие аппаратов "Вояджер-1" и "Вояджер-2" окажется таким далёким и долгим.
Теперь, находясь в межзвёздном пространстве, они расширяют границы космических полётов и исследований, позволяя нам впервые заглянуть в космос за пределами влияния нашей звезды.

При запуске в 1977 году у "Вояджера-1" и "Вояджера-2" была совсем другая миссия: исследовать внешнюю Солнечную систему и собрать данные о внешних планетах, которые ранее наблюдались только дистанционно.
Но сейчас, спустя четыре десятилетия после старта, они продвинулись дальше, чем любой другой космический аппарат с Земли - вышли в холодный, тихий мир межзвёздного пространства.

Первоначально предназначенные для изучения свойств планет-гигантов, приборы на обоих космических аппаратах в последние десятилетия постепенно разворачивают перед нами картину распространения влияния нашего Солнца.
И новая миссия "Вояджеров" фокусируется не только на воздействии нашей звезды на пространство внутри гелиосферы (гигантского пузыря вокруг Солнца, заполненного постоянным потоком частиц, называемого солнечным ветром), но и на космос за её пределами.
Когда-то "Вояджеры" помогли нам ближе рассмотреть планеты-гиганты и изучить их связь с Солнцем, теперь, продолжая своё путешествие, они дают нам подсказки о природе межзвёздного пространства.

Окружающая среда, которую они исследуют, становится всё холоднее и разреженнее, чем когда-либо прежде, но "Вояджеры" продолжают производить измерения в межзвёздной среде, в которой находятся газ, плазма, частицы звёзд и газовых облаков не из нашей системы.
Три из десяти инструментов космических аппаратов помогают определить, насколько пространство внутри гелиосферы отличается от внешнего космоса.
Анализируя эти данные в совокупности, учёные могут собрать воедино картину границы гелиосферы с межзвёздной средой.
Вот о чём могут поведать работающие приборы "Вояджеров".


Магнитометр

Один из инструментов - это магнитометр "Вояджеров" или сокращенно MAG.

MAG был разработан в рамках планетарной миссии "Вояджеров" для исследования магнитосфер планет и их спутников, определения физической механики и процессов взаимодействия их магнитных полей и солнечного ветра.
После завершения основной миссии космические аппараты изучали магнитное поле внутри гелиосферы и за её пределами, наблюдая за магнитным полем Солнца и изменениями, происходящими в нём во время солнечной активности.

Получение магнитных данных в космосе требует специального трюка. Аппарат вращается вокруг своей оси, совершая калибровочный манёвр, позволяющий "Вояджеру" различать собственное магнитное поле, которое вращается вместе с ним, и магнитные поля пространства, в котором он движется.

Впервые данные о магнитном поле за пределами влияния Солнца были получены, когда "Вояджер-1" пересёк гелиопаузу в 2012 году.
Учёные определили, что в пределах гелиосферы сила магнитного поля была переменной, она изменялась и колебалась в процессе полёта "Вояджера-1". Эти колебания были обусловлены солнечной активностью.
Но как только "Вояджер-1" вышел межзвёздное пространство, изменения прекратились. Хотя сила поля почти не отличалась от той, что была внутри гелиосферы, она больше не имела колебаний, связанных со вспышками Солнца.

Все эти процессы хорошо показаны на специальных графиках силы магнитного поля вблизи гелиопаузы с января 2012 года по май 2014 года.
До перехода в межзвёздное пространство величина магнитной силы колеблется довольно незначительно. Пересечение гелиопаузы в 2012 году отмечено "ухабами", после чего значения силы перестают испытывать колебания и в 2013 году начинают выравниваться по мере всё более далёкого продвижения космического аппарата в межзвёздной среде.

В ноябре 2018 года "Вояджер-2" преодолел аналогичный "ухабистый" путь при пересечении гелиопаузы. Учёные, работающие с данными от магнитометра MAG на борту "Вояджера-2", рады наблюдать, что путешествие второго аппарата имеет отличия от пути его космического близнеца.


Подсистема космического излучения

Как и магнитометр MAG, подсистема для измерения уровня космического излучения, называемая CRS, изначально была разработана для исследования планетных систем. Инструмент CRS определял состав энергетических частиц в магнитосферах Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Учёные использовали его для изучения заряженных частиц в Солнечной системе и их распределения между планетами. Однако с тех пор, как "Вояджеры" миновали планеты-гиганты, их CRS занимались изучением заряженных частиц гелиосферы, а теперь и частиц в межзвёздной среде.

Инструмент CRS производит замеры количества частиц, обнаруженных в секунду. Он делает это при помощи двух телескопов: телескопа для измерения частиц высокой энергии (70 МэВ), которые идентифицируются как межзвёздные частицы, и телескопа, фиксирующего частицы низкой энергии (5 МэВ), которые исходят от нашего Солнца.
Эти частицы движутся с совершенно разными скоростями. Измеряя количество частиц этих двух видов, "Вояджеры" могут дать представление о космической среде, в которой они движутся.

Если сопоставить графики уровня частиц, полученные от "Вояджера-1" в 2012 году и "Вояджера-2" в ноябре 2018 года, когда аппараты покидали гелиосферу, то они практически аналогичны, при этом уровень межзвёздных частиц высокой энергии возрастает и затем выравнивается, а данные от телескопа низкой энергии показывают значительное уменьшение гелиосферных частиц.
Это было ключевым признаком того, что "Вояджер-2" вышел в межзвёздное пространство. Учёные продолжают следить за этими показателями, чтобы увидеть, будет ли меняться состав межзвёздных космических частиц по ходу дальнейшего полёта.


Прибор для изучения плазмы

Плазменный научный прибор (или PLS) был создан для измерения характеристик плазмы и уровня ионизированных частиц вокруг внешних планет, а также для определения влияния солнечного ветра на эти планеты.
Система PLS состоит из четырёх чаш Фарадея; данный инструмент измеряет характеристики плазмы по мере её прохождения сквозь чаши и вычисляет скорость, направление и плотность плазмы.

PLS на "Вояджере-1" был повреждён во время пролёта мимо Сатурна, и его пришлось отключить задолго до выхода аппарата из гелиосферы, что сделало его неспособным измерять свойства плазмы.
Пересечение гелиопаузы аппаратом "Вояджер-2" даёт учёным возможность получить первые в истории плазменные измерения внешнего космоса.

Учёные предсказывали, что межзвёздная плазма, исследуемая "Вояджером-2", будет выше по плотности, но ниже по температуре и скорости, чем плазма внутри гелиосферы.
И в ноябре 2018 года инструмент PLS именно это и показал. Его измерения указывают, что плазма в этом регионе становится всё холоднее и медленнее и, подобно машинам, замедляющимся на автостраде, начинает скапливаться вблизи гелиопаузы на выходе в межзвёздную среду.

И теперь, благодаря инструменту PLS "Вояджера-2", мы имеем невиданную ранее развёрнутую перспективу нашей гелиосферы: данные о скорости плазмы в пространстве от Земли до гелиопаузы.

Учёные построили графики, суммируя путешествие "Вояджеров" длиной почти в 42 года. Один график показывает скорость плазмы, как она меняется на пути через гелиосферу в зависимости от расстояния от Земли, которое указано в астрономических единицах (1 а.е. - это среднее расстояние между Солнцем и Землей или около 149,67 миллионов км). Для сравнения, Сатурн находится в 10 а.е., а Плутон - примерно в 40 а.е. от Земли.

Пересечение гелиопаузы произошло на расстоянии в 120 а.е. от Земли, когда скорость исходящей от Солнца плазмы упала до нуля (это видно на верхнем графике), а поток плазмы извне отклонился - заметно по скачку на двух графиках ниже, которые показывают скорость по нормали (средний график) и тангенциальную скорость (нижний график) плазмы солнечного ветра. Это означает, что когда солнечный ветер начинает взаимодействовать с межзвёздной средой, он отклоняется назад, словно волна, бьющаяся о скалы.


Общая картина

Однако анализ данных от каждого прибора в отдельности не даёт полного представления о том, как выглядит межзвёздное пространство в области гелиопаузы. Вместе эти инструменты рассказывают историю перехода от турбулентного, активного пространства, находящегося под влиянием нашего Солнца, к относительно спокойным "водам" на границе с внешним космосом.

MAG зафиксировал, что напряженность магнитного поля резко уменьшается в межзвёздной среде. Данные CRS указывают на увеличение межзвёздных космических лучей и уменьшение гелиосферных частиц. И, наконец, PLS после переходе уже не обнаружил признаков солнечного ветра.

Теперь, когда Вояджеры находятся за пределами гелиосферы, в перспективе они могут предоставить новую информацию о формировании и состоянии нашего Солнца и о том, как оно взаимодействует с межзвёздным пространством, а также о том, как другие звёзды взаимодействуют с межзвёздной средой.

Автоматические странники "Вояджер-1" и "Вояджер-2" дают нам возможность впервые заглянуть в то пространство, которое нам придётся преодолеть, если человечество когда-нибудь выйдет за пределы нашей родной звёздной системы. Их полёт приближает нас к дальнему космосу.



Адаптированный перевод.
Источник: https:// www.nasa.gov/ feature/ goddard/2019/the-voyage-to-interstellar-space/