Граница Солнечной системы определяется гелиосферой и гелиопаузой. Гелиопауза — это область, где межзвёздная среда останавливает исходящий солнечный ветер. Но только два космических аппарата, «Вояджер-1» и «Вояджер-2», когда-либо достигали гелиопаузы. Поэтому учёные не уверены в протяжённости гелиопаузы и других её свойствах.
Некоторые учёные стремятся узнать больше об этом регионе и разрабатывают концепцию миссии для его исследования.
Гелиосфера играет важнейшую роль в Солнечной системе. Гелиосфера Солнца — это защита от входящего галактического космического излучения, например, от мощных сверхновых. Гелиопауза обозначает предел защитной силы гелиосферы. За её пределами галактическое космическое излучение беспрепятственно.
Не существует общего понимания формы и протяжённости гелиосферы и гелиопаузы. Новое исследование призвано решить эту проблему, разработав зонд, который отправится за пределы этого региона, чтобы найти необходимые ответы.
Исследование под названием «Complementary Interstellar Detections from the Heliotail» опубликовано в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences. Ведущий автор — Сара Спитцер, постдокторский научный сотрудник кафедры климатических и космических наук и инженерии Мичиганского университета.
«Без такой миссии мы похожи на золотых рыбок, которые пытаются понять аквариум изнутри», — говорит Спитцер.
Гелиопауза защищает всё, что находится внутри неё, от галактического космического излучения, включая наших астронавтов, которые покидают защитную магнитосферу Земли. «Мы хотим знать, как гелиосфера защищает астронавтов и жизнь в целом от вредного галактического излучения, но это трудно сделать, когда мы до сих пор не знаем даже формы нашего щита», — сказал Марк Корнблют, учёный из Бостонского университета и соавтор исследования.
Гелиосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра и местной межзвёздной среды (ММС). Последняя состоит из плазмы, пыли и нейтральных частиц. В нашей области космоса доминируют два облака: Местное межзвёздное облако и G-облако, в котором находится система Альфа Центавра. Два других облака, Облако AQL и Голубое облако, находятся неподалёку. Облака — это регионы, где ММС более плотная.
Проблема, с которой сталкиваются учёные, заключается в том, что мы не можем узнать больше о форме гелиосферы и её связи с ММС и её облаками, не выходя за пределы гелиосферы. Хотя «Вояджер-1» и «Вояджер-2» превзошли самые смелые ожидания, продержавшись так долго и покинув гелиосферу, они уже близки к концу. Их приборы уже не работают так, как раньше, а ведь эти космические аппараты были построены в 1970-х годах. Само собой разумеется, что с тех пор технологии шагнули вперёд.
Нам нужен специально построенный космический аппарат, который сможет покинуть гелиосферу, когда и где мы захотим. Конечно, это очень долгое путешествие, и по пути он будет выполнять другие научные задачи. Но в отличие от зондов «Вояджер», которые были отправлены для изучения планет и достигли ММС только благодаря своему упрямству.
«Будущая миссия межзвёздного зонда станет нашей первой возможностью по-настоящему увидеть гелиосферу, наш дом, со стороны и лучше понять её место в местной межзвёздной среде», — говорит ведущий автор работы Спитцер.
Эта идея вынашивалась уже давно. В 2021 году учёные разработали концепцию миссии для такого зонда. Они назвали его «Межзвёздный зонд» и заявили, что он отправится в 50-летнее путешествие в ММС. По их словам, он «… обеспечит первую реальную точку обзора нашей системы, несущей жизнь, извне». Он может стартовать в 2036 году и пролететь с пиковой скоростью 7 австралийских километров в год. Это около одного миллиарда километров в год.
Точка выхода — критическое различие между предложением 2021 года и нынешним. В предложении 2021 года говорилось, что зонд должен «захватить боковой вид гелиопаузы, чтобы охарактеризовать её форму, предпочтительно вблизи 45° от направления на нос гелиопаузы в точке (7° с.ш., 252° в.д.) в эклиптических координатах Земли».
Авторы новой работы утверждают, что команда Interstellar Probe ошиблась с точкой выхода. «Однако в этом отчёте предполагается, что оптимальной является траектория зонда, проходящая под углом 45 градусов от носа гелиохвоста, или переднего фронта направленного движения Солнца», — пишут они. Спитцер и её коллеги изучили этот вопрос и пришли к другому выводу. Они изучили шесть различных траекторий движения зонда — от носа до хвоста. Они пришли к выводу, что лучше всего использовать боковой вид.
«Если вы хотите узнать, насколько далеко назад простирается ваш дом, то выйти через парадную дверь и сделать снимок с тротуара, скорее всего, не лучший вариант. Лучше всего выйти через боковую дверь, чтобы увидеть, насколько длинным является дом спереди и сзади, — говорит соавтор исследования Корнблейт. Такая точка обзора позволит получить наилучшие научные результаты и увидеть форму гелиосферы».
«Понимание формы гелиосферы требует понимания гелиохвоста, поскольку его форма сильно зависит от гелиохвоста и его взаимодействий с ММС», — пишут авторы в своей работе. «Миссия Interstellar Probe — идеальная возможность для проведения измерений либо по траектории, проходящей через гелиохвост, либо через фланг…»
Есть и ещё одна веская причина следовать по этой траектории. Исследователи считают, что плазма от ММС может попасть в гелиосферу через хвост из-за магнитного пересоединения. Если это так, то зонд может взять пробы ММС дважды: один раз внутри гелиосферы, а другой — за её пределами.
Команда также предложила отправить два зонда за пределы гелиосферы. Один будет двигаться по носовой траектории, а другой — по гелиохвостовой. Это «… позволит получить более полное представление о форме гелиосферы и лучше понять её взаимодействие с ММС», — объясняют авторы в своей статье.
«Этот анализ потребовал большого упорства. Он начался с малого и превратился в большой ресурс для сообщества», — говорит соавтор исследования Сьюзан Лепри.
Команда, стоящая за этим предложением, говорит, что межзвёздный зонд будет рассчитан на 50 лет и пролетит 400 астрономических единиц. Потенциально он может преодолеть гораздо большее расстояние — до 1 000 астрономических единиц. По мнению исследователей, это позволит нам получить беспрецедентное представление о гелиосфере и ММС.
