Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

Явное сходство результатов – при том что два аппарата летят в сильно расходящихся направлениях, на 67° по гелиографической широте и на 43° по долготе, – говорило о глобальном характере явления. Природа его, однако, остается неясной. По одной из версий, межзвездное магнитное поле непосредственно после магнитопаузы сильнее, чем на удалении от нее, так как силовые линии внешнего поля плотно «окутывают» магнитосферу. Из-за этого возникает циклотронная нестабильность и концентрация плазмы снижается – отсюда, кстати, и происходит название «зона истощения». Другая гипотеза утверждает, что внешний материал, переносимый межзвездным ветром, замедляется при встрече с гелиопаузой и из-за этого уплотняется, примерно как автомобили в «пробке».

В пользу второй версии говорили данные инструмента UVS на «Вояджере-1», о которых уже упоминалось выше, и опубликованные в 2018 г. результаты измерений ультрафиолетового спектрометра Alice на аппарате «Новые горизонты». Он фиксировал в 2007–2017 гг. слабое свечение в линии Лайман-α, которое исследователи описали как результат рассеяния солнечных фотонов на атомах нейтрального водорода, образующего своеобразную «стену» на гелиопаузе.

Гарнетт и Курт указали на потенциальную возможность установления истины: если в первом случае плотность плазмы с удалением от гелиопаузы должна достигнуть максимального, уже невозмущенного значения, то во втором с прохождением «стены» рост сменится падением. В данных «Вояджера-1» в последние два года как будто наметилось осторожное снижение электронной концентрации, но связанные с ними погрешности велики, и пока рано утверждать, что пик пройден. Авторы работы с сожалением отметили, что «Вояджеры» могут не успеть разрешить эту загадку…

Зато спустя 37 лет (!) после обнаружения осцилляций плазмы командой Фредерика Скарфа, накопив и осмыслив измерения уже за гелиопаузой, ученые смогли наконец предложить теоретическую модель, частью которой эти осцилляции являются. Авторами статьи в январском номере The Astronomical Journal за 2021 г. стали ветераны проекта «Вояджер», отдавшие ему по полвека жизни, – Дон Гарнетт, Уильям Курт, Эдвард Стоун, Алан Каммингс, Стаматиос Кримигис, Норман Несс, Леонард Бурлага…

Модель форшока, как они ее назвали, описывает взаимодействие ударных волн солнечного происхождения с межзвездной плазмой. Все начинается с выброса солнечного вещества, которое после нескольких месяцев пути достигает магнитопаузы, проникает в межзвездную среду и создает в ней ударные волны. Впереди них возникают осцилляции электронной плазмы, возбуждаемые пучками электронов с энергиями 20–100 эВ, движущимися вдоль линий межзвездного магнитного поля. Частоты осцилляций задаются плотностью среды, и благодаря этому обстоятельству уже построены радиальные профили электронной плотности во внешней гелиосфере и в межзвездной среде до дистанции 145 а.е. от Солнца.

На еще больших расстояниях земные аппараты-разведчики фиксируют всплески электронов высоких энергий, примерно от 5 до 100 МэВ. Они обнаружены впервые и объяснены отражением электронов космических лучей от ударной волны, которая сминает и усиливает магнитное поле, с последующим ускорением этих электронов уже в межзвездном поле. «Вояджер» фиксирует их тогда, когда ударная волна достигает магнитной линии, на которой он сам находится.

Понятно, что земные зонды «видят» описываемые события в обратном порядке, от следствия к причине. Сначала их настигают всплески энергичных электронов, летящих почти со скоростью света, через несколько суток начинает «вибрировать» плазма, и в последнюю очередь, спустя недели и даже месяцы, регистрируются ударные волны, скорость которых не превышает 450 км/с. По интервалу времени между всплесками и началом осцилляций плазмы как раз и удалось впервые оценить энергию возбуждающих их электронных пучков.

Еще одной «занозой» является расхождение между магнитными данными обоих «Вояджеров» и глобальной картиной, построенной на базе измерений других аппаратов.

Первые данные о направлении местного межзвездного магнитного поля были получены в 2005 г. по измерениям межзвездных нейтральных атомов гелия на «Улиссе» и водорода на околоземной солнечной и гелиосферной обсерватории SOHO. Это удалось сделать, потому что направление втекания водорода в большей степени подвержено вторичным воздействиям в гелиослое, чем направление втекания гелия. Различие в направлениях движения атомов двух элементов позволило определить так называемую плоскость B – V, в которой должен был лежать вектор межзвездного магнитного поля.