Водород в наших космических окрестностях

В этих отдалённых областях нашей Солнечной системы побывали лишь два рукотворных космических аппарата - земные "Вояджеры", и чтобы долететь сюда, им потребовалось более 30 лет пути на сверхзвуковых скоростях.
Этот путь ведёт далеко за орбиту Плутона, через каменистый пояс Койпера, и ещё примерно в четыре раза дальше.
Там царство космического холода, отмеченное только невидимой магнитной границей, то место, где заканчивается в пространстве владычество Солнца, - ближайшие окрестности межзвёздного пространства.

В этой неизведанной зоне частицы и свет, испускаемые 100 миллиардами звёзд нашей Галактики, сталкиваются с древними остатками Большого взрыва, образуя смесь вещества среди звёзд, называемую межзвёздной средой.
Её содержимое фиксирует далёкое прошлое нашей Солнечной системы и может включать намёки на её будущее.

Теперь же там пролетает третий космический аппарат с Земли.

Измерения, произведённые космическим аппаратом "Новые горизонты", позволяют пересмотреть наши оценки одного ключевого свойства межзвёздной среды: её плотности.
Результаты, опубликованные в "Астрофизическом журнале" (Astrophysical Journal), содержат новые наблюдения и сведения о том, что местная межзвёздная среда содержит примерно на 40% больше атомов водорода, чем предполагали некоторые предыдущие исследования.
Полученные результаты объединяют ряд разрозненных измерений и проливают новый свет на наше представление о космических окрестностях.


Пролетая сквозь межзвёздный туман

Земля вращается вокруг Солнца, и вся наша Солнечная система несётся вокруг центра Млечного пути со скоростью свыше 22347 км/с.
Если бы мы пролетали сквозь "туман" межзвёздных частиц, мы бы находились под защитой магнитного пузыря вокруг нашего Солнца, известного как гелиосфера. Многие межзвёздные газы (но не все) обтекают этот защитный пузырь.

Наша гелиосфера отталкивает заряженные частицы, которые направляются магнитными полями. Но более половины местных межзвёздных газов нейтральны, то есть имеют сбалансированное количество протонов и электронов. Врезаясь в нас, межзвёздные нейтральные частицы проходили бы насквозь.

"Это похоже на то, как вы бежите сквозь густой туман, по пути собирая влагу, - говорит Эрик Кристиан, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда. - При этом ваша одежда становится мокрой, и это замедляет бег".

Когда нейтральные межзвёздные атомы проникают в нашу гелиосферу, они сталкиваются с частицами солнечного ветра.
При этом многие из них теряют свои электроны, становясь положительно заряженными захваченными ионами. Эта новая популяция частиц, хотя и в изменённом виде, несёт в себе тайны межзвёздного тумана, находящегося по ту сторону гелиосферы.

"У нас нет прямых наблюдений межзвёздных атомов, проведённых аппаратом "Новые горизонты", но мы можем наблюдать эти захваченные ионы, - сообщает Павел Сважина, научный сотрудник из Принстонского университета и ведущий автор исследования. - Они лишились электрона, но мы знаем, что изначально они пришли к нам как нейтральные атомы из-за пределов гелиосферы".

Космический аппарат "Новые горизонты", запущенный с Земли в январе 2006 года, лучше всего подходит для их выявления. После его сближения с Плутоном минуло пять лет, там он сделал первые близкие снимки карликовой планеты, сейчас он пролетает через пояс Койпера на краю нашей Солнечной системы, где захваченные гелиосферой ионы наиболее "свежие".
Специальный прибор SWAPС, установленный на борту аппарата, способен обнаруживать эти захваченные ионы, отличая их от частиц солнечного ветра по значительно более высокой энергии.

По количеству захваченных ионов, обнаруженных "Новыми горизонтами", определяется плотность тумана, через который летит аппарат. Подобно тому, как в густом тумане оседает влага на бегуне, - чем больше захваченных ионов наблюдает аппарат "Новые горизонты", тем более плотным должен быть межзвёздный туман снаружи гелиосферы.


Расходящиеся измерения

Чтобы получить плотность нейтрального водорода в ударной волне, где солнечный ветер сталкивается с межзвёздной средой и резко замедляется, Сважина использовал измерения, полученные прибором SWAP.
После месяцев тщательных проверок и испытаний учёные выявили 0,127 частицы на кубический сантиметр, или около 127 атомов водорода в пространстве размером примерно с литр молока.

Полученный результат подтвердил проведённое в 2001 году исследование, в котором для измерения замедления солнечного ветра использовались данные от "Вояджера–2", находившегося в то время на расстоянии около 6,5 миллиардов километров от Земли.
Замедление, возникающее главным образом из-за вторжения частиц межзвёздной среды, предполагает соответствующую плотность межзвёздного водорода, а именно около 127 атомов водорода в 1000 кубических сантиметрах пространства.

Немного позже исследователи пришли к другому результату. Учёные использовали данные миссии "Улисс", полученные, когда космический аппарат находился чуть ближе к Солнцу, чем Юпитер.
По оценкам, плотность захваченных ионов составила около 90 атомов водорода в 1000 кубических сантиметрах. Несколько лет спустя другое исследование, объединившее данные от "Улисса" и "Вояджера", дало аналогичный результат.

Но после серии перепроверок новейшие результаты стали считаться учёными более правильными. Измерения, произведённые "Новыми горизонтами", лучше согласуются с наблюдениями далёких звёзд.
С другой стороны, данные от аппарата "Улисс" имели недостаток: они были собраны гораздо ближе к Солнцу, где меньше межзвёздных ионов и больше неопределённости в измерениях.

"Внутренняя гелиосфера содержит ионы, которые пролетают миллиарды километров и отфильтровываются на этом пути, - говорит Кристиан. - "Новые горизонты" находятся сейчас на огромном расстоянии от нас, и их данные имеют большее значение".

Что касается объединённых результатов "Улисс"/"Вояджер", Сважина заметил, что одно из чисел в расчётах было устаревшим и на 35% ниже, чем текущее согласованное значение.
Пересчёт с принятым в настоящее время значением дал им приблизительное совпадение с измерениями "Новых горизонтов" и исследованием 2001 года.


Новый взгляд

Переход от 90 атомов в 1000 куб. см до 127 может показаться не таким уж значительным. Однако в науке, основанной на моделях, например, в гелиофизике, изменение одного параметра влияет на все остальные.
Вскоре после того, как астрономический спутник "Исследователь межзвёздных границ" (Interstellar Boundary Explorer или IBEX) отправил на Землю первый набор данных, учёные заметили странную полосу энергетических частиц, исходящую от передней границы нашей гелиосферы. Они назвали её "лентой IBEX".

"Лента IBEX стала большим сюрпризом - это структура на краю нашей Солнечной системы шириной свыше миллиарда километров и длиной в 16 миллиардов километров, о существовании которой никто не знал ранее, - сообщает Кристиан. - Но даже когда мы разрабатывали модели, объясняющие причины её возникновения, все модели показывали, что она не должна быть настолько яркой".

"Повышение плотности межзвёздного вещества на 40%, наблюдаемое в этом исследовании, является абсолютно критическим, - объясняет Дэвид МакКомас, профессор астрофизических наук из Принстонского университета, главный исследователь миссии IBEX и соавтор исследования. - Это не только показывает, что наше Солнце находится в гораздо более плотной части межзвёздного пространства, но и может объяснить значительное расхождение в наших результатах моделирования по сравнению с фактическими наблюдениями IBEX".

Но самое главное, что результат дает улучшенную картину нашего локального звёздного окружения.





Источник: https:// www.nasa.gov/ feature/ goddard/ 2020/ new-evidence-our- neighborhood-in-space- is-stuffed-with-hydrogen/