Гелиосфера

Компоненты гелиосферы

Гелиосфера — область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется от Солнца с некоторой ненулевой скоростью. Извне гелиосфера условно ограничена бесстолкновительной ударной волной, определяемой балансом давлений солнечного ветра с одной стороны, с другой — давлением магнитного поля и межзвёздной среды.^[1]

Первые 10 миллиардов километров скорость солнечного ветра составляет около миллиона километров в час.^[2][3] По мере того, как он сталкивается с межзвёздной средой, происходит его торможение и смешение с ней. Граница, на которой происходит замедление солнечного ветра, носит название границы ударной волны; граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды, носит название гелиопаузы; граница, на которой происходит столкновение межзвёздной среды с набегающим солнечным ветром — головная ударная волна.

Понятие «Гелиосфера» является частным примером более общего явления — Астросферы (и в ближайшее время единственным доступным для исследования изнутри). Применительно к произвольным звёздам в англоязычной литературе также может использоваться синонимичный термин «Пузырь звёздного ветра». При этом физика формирования и существования пузырей в основном аналогична^{[источник не указан 462 дня]} физике гелиосферы.

Солнечный ветер

Основные статьи: Солнечный ветер, межпланетная среда, межпланетное пространство

Солнечный ветер представляет собой поток частиц (ионизированных атомов солнечной короны) и полей, в частности, магнитных. По мере того как Солнце вращается, делая оборот за 27 суток, магнитное поле, переносимое солнечным ветром, принимает форму спирали. Земля при прохождении витков этой спирали взаимодействует с ней своим магнитным полем, что может приводить к магнитным бурям.

В марте 2005 были опубликованы результаты измерений, произведённых SOHO. Они показали, что область пространства, заполненная солнечным ветром, не имеет точной осевой симметрии, а имеет слегка искажённую форму, скорее всего, под влиянием местного участка общегалактического магнитного поля^[4].

Структура

Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный токовый слой (показан до орбиты Юпитера)

Основная статья: Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный токовый слой представляет собой «рябь» в гелиосфере, которая создаётся магнитным полем Солнца, вращающимся и меняющим свою полярность. Токовый слой выходит за пределы гелиосферы и является самой масштабной структурой в Солнечной системе. Своей формой он напоминает многослойную юбку балерины^[5].

Внешняя структура

Солнечная система, гелиосфера, облако Оорта и Альфа Центавра, наложенные на логарифмическую шкалу

Внешняя структура гелиосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с потоком частиц в межзвёздном пространстве. Потоки солнечного ветра движутся во все стороны от Солнца, вблизи Земли имея скорости в несколько сотен километров в секунду. На определённом расстоянии от Солнца, далеко за орбитой Нептуна, этот сверхзвуковой поток начинает снижать свою скорость. Это торможение происходит в несколько этапов:

• Солнечный ветер имеет сверхзвуковую скорость внутри Солнечной системы. На так называемой границе ударной волны происходит падение скорости солнечного ветра до звуковых значений.
• Потеряв сверхзвуковую скорость, солнечный ветер начинает взаимодействовать с окружающим межзвёздным веществом. Это взаимодействие между галактическим веществом и движущимся в нём Солнцем приводит к тому что гелиосфера приобретает каплеобразную форму, вытянутую хвостом в сторону, противоположную движению Солнца. Эта область пространства называется гелиосферной мантией (мантией Солнечной системы)
• Поверхность, которая ограничивает гелиосферную мантию и на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешение его с набегающим межзвёздным веществом называют гелиопаузой. Она является границей всей гелиосферы.
• Движение Солнца в межзвёздной среде приводит к тому, что в окружающем межзвёздном пространстве происходят возмущения. Точно так же, как солнечный ветер на границе ударной волны теряет свою скорость, межзвёздный ветер, движущийся навстречу движению Солнца, изменяет свою скорость на аналогичной границе, называемой дуговой ударной волной. Она находится за пределами гелиосферы, и здесь происходит торможение не солнечного, а межзвёздного ветра.

Граница ударной волны

Наглядная демонстрация границы ударной волны. Окружность, на которой поток воды теряет свою энергию и начинает резко замедляться, и есть граница ударной волны

Граница ударной волны — это поверхность внутри гелиосферы, на которой происходит резкое замедление солнечного ветра до звуковых скоростей (относительно скорости самого Солнца). Это происходит из-за того, что вещество солнечного ветра «наталкивается» на межзвёздное вещество. Полагают, что в нашей Солнечной системе граница ударной волны находится на расстоянии 75-90 астрономических единиц (около 11—13,5 млрд км).^[6] В 2007 году Вояджер-2 пересёк границу ударной волны^[7]. (Фактически он пересекал её пять раз, из-за того, что граница непостоянна и меняет свое расстояние от Солнца в результате колебаний солнечной активности и испускаемого Солнцем вещества).

Ударная волна возникает потому, что частицы солнечного ветра движутся со скоростью около 400 км/с, в то время как скорость звука в межзвёздном пространстве составляет примерно 100 км/с (точное значение зависит от плотности, и потому может меняться). Хотя межзвёздное вещество имеет очень малую плотность, оно все-таки создаёт постоянное, хоть и незначительное давление, которого на определённом расстоянии от Солнца становится достаточно, чтобы затормозить солнечный ветер до звуковых скоростей. В этом месте и возникает ударная волна.

Подобные границы ударных волн могут наблюдаться в земных условиях. Простейший пример можно видеть, наблюдая за поведением потока воды в раковине. Ударяясь о раковину, струя воды растекается во все стороны со скоростью, превышающей скорость распространения механических волн в воде. Формируется диск из быстро растекающейся воды очень малой толщины, который представляет собой сверхзвуковой поток солнечного ветра. На краях этого диска образуется водяной вал, за которым вода течёт со скоростью, меньшей скорости распространения механических волн.

Дополнительные сведения: ударная волна

Свидетельства, представленные Эдом Стоуном на встрече Американского Геофизического союза в мае 2005 года, утверждают, что космический аппарат Вояджер-1 пересёк границу ударной волны в декабре 2004, когда находился на расстоянии 94 а.е. от Солнца. Такой вывод был сделан по изменению показателей магнитного поля, получаемых с аппарата. Аппарат Вояджер-2, в свою очередь, зафиксировал обратное движение частиц уже на расстоянии 76 а.е. в мае 2006. это говорит о несколько несимметричной форме гелиосферы, северная половина которой больше южной^[8].

Спутник Interstellar Boundary Explorer попытается собрать дополнительные данные о границе ударной волны.

За границей ударной волны находится гелиопауза, где происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешивание его с межзвёздным веществом, а ещё дальше — головная ударная волна, при прохождении которой частицы межзвёздного ветра испытывают торможение, аналогичное торможению солнечного ветра.

В июне 2011 года было объявлено, что благодаря исследованиям «Вояджеров» стало известно, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Это происходит из-за того, что намагниченные материя и мелкие космические объекты образуют местные магнитные поля, которые можно сравнить с пузырями^[9].

Гелиосферная мантия

Диаграмма, изображающая положение Вояджера-1 в гелиосферной мантии. В настоящее время Вояджер-2 также находится в мантии.

Гелиосферная мантия — область гелиосферы за пределами ударной волны. В ней солнечный ветер тормозится, сжимается и его движение приобретает турбулентный характер. Гелиосферная мантия начинается на расстоянии 80-100 а.е. от Солнца. Однако, в отличие от внутренней области гелиосферы, мантия не имеет сферической формы. Её форма скорее похожа на вытянутую кометную кому, простирающуюся в противоположном движению Солнца направлении. Толщина мантии со стороны набегающего межзвёздного ветра намного меньше, чем с противоположной^[10]. Текущая миссия Вояджеров состоит в сборе данных о гелиосферной мантии.

Гелиопауза

Гелиопауза — это граница между гелиосферой и межзвёздной средой. При приближении солнечного ветра к гелиопаузе скорость его резко уменьшается, приводя к формированию ударной волны.

Гелиопауза — теоретическая граница, на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра. Его давление уже неспособно оттеснять межзвёздное вещество из Солнечной системы и происходит перемешивание вещества солнечного ветра с межзвёздным.

Гипотезы

Согласно одной из гипотез^[11], между головной ударной волной и гелиопаузой существует область, заполненная горячим водородом, называемая водородной стеной. Эта стена содержит межзвёздное вещество, сжатое взаимодействием с гелиосферой. Когда частицы, испускаемые Солнцем, сталкиваются с частицами межзвёздного вещества, они теряют свою скорость, преобразовывая кинетическую энергию в тепловую, что приводит к формированию области нагретого газа.

В качестве альтернативы предлагается определение, что гелиопауза — это магнитопауза, граница, ограничивающая солнечную магнитосферу, за которой начинается общегалактическое магнитное поле.

Головная ударная волна

Снимок и художественное представление головной ударной волны, создаваемой звездой R Гидры.

Основная статья: Головная ударная волна

Гипотеза утверждает, что Солнце так же создаёт ударную волну при движении через межзвёздное вещество, как и звезда на снимке справа. Эта ударная волна имеет форму дуги натянутого лука, из-за чего и получила своё второе название — дуговая. Она подобна волне, возникающей на водной поверхности перед носом движущегося судна, и возникает по тем же самым причинам. Головная волна возникнет в случае, если межзвёздное вещество движется навстречу Солнцу со сверхзвуковой скоростью. «Ударяясь» о гелиосферу, межзвёздный ветер тормозится и формирует ударную волну аналогичную волне, которая формируется внутри гелиосферы при торможении солнечного ветра. Специалисты NASA Роберт Немирофф (англ. Robert Nemiroff) и Джерри Боннелл (англ. Jerry Bonnell) считают, что солнечная головная волна может существовать на расстоянии 230 а.е. от Солнца^[12].

Ударной волны, однако, может вовсе не существовать^[13]. В исследовании, опубликованном на основе анализа данных зонда IBEX, утверждается, что скорость движения гелиосферы через межзвездное вещество недостаточно велика (84000 километров в час вместо ранее предполагавшихся 95000) для этого. Эти выводы подтверждаются и данными аппаратов Вояджер.

Наблюдения орбитального телескопа GALEX показали, что у звезды Мира созвездия Кита есть похожий на кометную кому хвост из извергнутого звёздного вещества, а также чётко различимая головная ударная волна (англ.)русск., находящаяся в направлении движения звезды через космос (на скорости 130 км/с).

См. также

• Гелиосферный токовый слой
• Космическая погода
• Корональные выбросы массы
• Солнечная вспышка
• Межзвёздная среда
• Звёздная система
• Вояджер (программа)

Примечания

1. ↑ Астронет > гелиосфера
2. ↑ Dr. David H. Hathaway The Solar Wind. NASA (January 18, 2007). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 11 декабря 2007.
3. ↑ Britt, Robert Roy. A Glowing Discovery at the Forefront of Our Plunge Through Space, SPACE.com (March 15, 2000). Проверено 24 мая 2006.
4. ↑ Lallement, R.; Quémerais, E.; Bertaux, J. L.; Ferron, S.; Koutroumpa, D.; Pellinen, R. (2005). «Deflection of the Interstellar Neutral Hydrogen Flow Across the Heliospheric Interface». Science 307 (5714): 1447–1449. DOI:10.1126/science.1107953. PMID 15746421. Проверено 2007-05-25.
5. ↑ Mursula, K.; Hiltula, T., (2003). «Bashful ballerina: Southward shifted heliospheric current sheet». Geophysical Research Letters 30 (22): 2135. DOI:10.1029/2003GL018201.
6. ↑ Nemiroff, R.; Bonnell, J. The Sun's Heliosphere & Heliopause. Astronomy Picture of the Day (June 24, 2002). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 25 мая 2007.
7. ↑ MIT instrument finds surprises at solar system’s edge
8. ↑ Than, Ker. Voyager II detects solar system's edge, CNN (May 24, 2006). Проверено 25 мая 2007.
9. ↑ "Вояджеры" нашли на границе Солнечной системы магнитные пузыри. Лента.ру (10 июня 2011). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 12 июня 2011.
10. ↑ Brandt, Pontus (February 27–March 2, 2007). "Imaging of the Heliospheric Boundary" (PDF). NASA Advisory Council Workshop on Science Associated with the Lunar Exploration Architecture: White Papers, Tempe, Arizona: Lunar and Planetary Institute. Проверено 2007-05-25. 
11. ↑ Wood, B. E.; Alexander, W. R.; Linsky, J. L. The Properties of the Local Interstellar Medium and the Interaction of the Stellar Winds of \epsilon Indi and \lambda Andromedae with the Interstellar Environment. American Astronomical Society (July 13, 2006).(недоступная ссылка — история) Проверено 25 мая 2007.
12. ↑ Nemiroff, R.; Bonnell, J. The Sun's Heliosphere & Heliopause. Astronomy Picture of the Day (June 24, 2002). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 25 мая 2007.
13. ↑ Космос-журнал: Ударной волны нет

Ссылки

• The Solar and Heliospheric Research Group at the University of Michigan
• Observing objectives of NASA's Interstellar Probe.
• CNN: NASA: Voyager I enters solar system’s final frontier — May 25, 2005
• New Scientist: Voyager 1 reaches the edge of the solar system — May 25, 2005
• Surprises from the Edge of the Solar System — Voyager 1 Newest Findings as of September 2006
• The heliospheric hydrogen wall and astrospheres
• Heliosphere, has a diagram.
• Global Structure of the Heliosphere
• Publications in Refereed Journals
• NASA GALEX (Galaxy evolution Explorer) homepage at Caltech
• Heliosphere Astronomy Cast episode #65, includes full transcript.
• Voyager Makes an Interstellar Discovery
• Voyager
• Computational Group for Astrophysics and Space Physics Группа учёных, занимающаяся исследованием взаимодействия гелиосферы и межзвёздного вещества