Наблюдения «Новых горизонтов» заполнили пробел в нашем понимании космоса

Когда зонд NASA «Новые горизонты» пролетел мимо Плутона 14 июля 2015 года, он сделал лучшие в истории снимки поверхности этого твердого мира и обеспечил нам новый и беспрецедентный вид на его геологию, состав и атмосферу. В принципе, новые прекрасные снимки «Новых горизонтов» известны широкой публике лучше всего. Но космический аппарат также отправил на Землю ценные измерения солнечного ветра — непрекращающегося потока солнечных частиц, которое Солнце отправляет в космос в области, которую посетили лишь несколько космических аппаратов.

Этот беспрецедентный набор наблюдений дал нам возможность заглянуть в почти никак не исследованную часть нашей космической среды и заполнил большой пробел между тем, что видели другие миссии ближе к Солнцу, и тем, что видел «Вояджер» подальше от него. Новое исследование, которое появилось в The Astrophysical Journal Supplement, подробно описывает наблюдения «Новыми горизонтами» солнечного ветра, встреченного на пути аппарата.

Данные «Новых горизонтов» не только показывают нам новые участки космической среды внешней Солнечной системы, но и помогают нам завершить нашу картину влияния Солнца на космос, от околоземных эффектов до границы, где солнечный ветер встречается с межзвездным пространством. Новые данные показывают, что частицы солнечного ветра, получившие начальный энергетический толчок, в дальнейшем ускоряются. Они могут быть семенами чрезвычайно энергетических частиц, которые называются аномальными космическими лучами. Полагают, что такие лучи дальше и при более низких энергиях играют определенную роль в формировании границы, где солнечный ветер встречается с межзвездным пространством — областью нашей Солнечной системы, которую в настоящее время исследует «Вояджер-2».

Изучение солнечного ветра

Хотя космос примерно в тысячу раз «чище», чем самый лучший лабораторный вакуум на Земле, он не является полностью лишенным материи: постоянный отток солнечного ветра наполняет космос тонкой и разреженной пеной частиц, полей и ионизированного газа, известного как плазма. Этот солнечный ветер, наряду с другими солнечными явлениями (к примеру, корональными выбросами массы), влияет на саму природу космоса и может взаимодействовать с магнитными системами на Земле и в других мирах. Такие эффекты также влияют на радиационный фон, через который наши космические аппараты уже — а космонавты потом — летят на Марс.

«Новые горизонты» измерили космическую среду на протяжении более полутора миллиардов километров на своем пути, начиная от орбиты Урана и до самой встречи с Плутоном.

После облета Юпитера в 2007 году, измерительный инструмент планировали включать лишь для ежегодной проверки, говорит Хизер Эллиотт, космический научный сотрудник в Юго-Западном научно-исследовательском институте в Сан-Антонио, штат Техас, и ведущий автор исследования. «Мы придумали план поддерживать активными инструменты по частицам во время крейсерской фазы, в то время как остальная часть космического аппарата пребывала в спячке, и начали наблюдения в 2012 году».

Этот план обеспечил три года почти непрерывных наблюдений космической среды в области космоса, которую пролетали лишь несколько аппаратов, причем почти не совершая подробных измерений.

«В этой области миллиарды кубических километров, и лишь несколько аппаратов пролетали через нее каждые десять лет, — говорит Эрик Кристиан, космический ученый в Центре управления космическими полетами им. Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, который изучает гелиосферу — область нашей Солнечной системы, в которой присутствует солнечный ветер. Он не принимал участия в исследовании. — С каждым из них мы узнавали все больше».

Так как Солнце является источником солнечного ветра, события на Солнце являются основной силой, которая формирует космическую среду. Солнечный ветер создает космическую погоду — в виде, например, полярных сияний на мирах с магнитными полями. Во внутренней Солнечной системе эти события обладают индивидуальной и весьма тонкой природой, но «Новые горизонты» не увидели таких подробных отличий во внешней Солнечной системе.

Данные «Новых горизонтов» показали, что космическая среда во внешней Солнечной системе имеет менее подробную структуру, чем среда ближе к Земле, поскольку мелкие структуры имеют тенденцию «слипаться» по мере движения наружу, создавая меньше — но крупнее — особенностей.

На этой диаграмме показаны наблюдения солнечного ветра, сделанные «Новыми горизонтами» с 1 января по 25 августа 2015 года. Это измерение зародышевых частиц для аномальных космических лучей в солнечном ветре принципиально новое для этого региона космоса. Точки в верхней части диаграммы отвечают высокоэнергетическим частицам, а красный и желтый цвета показывают большое число частиц, попавших в детектор. Детектор иногда отключался, отсюда и провалы.

«На таком расстоянии масштаб различимых структур увеличивается, поскольку структуры поменьше истончаются или сливаются вместе», говорит Эллиотт. Сложно предсказать, создаст ли взаимодействие мелких структур структуру побольше или же они рассеются совершенно.

Во внешней Солнечной системе также труднее обнаружить более тонкие признаки влияния Солнца. Параметры солнечного ветра, включающие скорость, плотность и температуру, задаются в регионе Солнца, из которого вытекает этот ветер. По мере того, как вращается Солнце и его различные образующие ветер области, формируются и повторяющиеся паттерны. «Новые горизонты» не увидели никаких определенных паттернов, когда был ближе к Солнцу, но определенную структуру приметил.

Скорость и плотность приобретают средние значения по мере удаления солнечного ветра. Но ветер по-прежнему нагревается за счет сжатия по мере движения, так что следствия вращения Солнца можно увидеть по температуре даже во внешней Солнечной системе.

В поисках источника опасной космической радиации

Наблюдения «Новых горизонтов» показали то, что может быть исходными семенами чрезвычайно мощных энергетических частиц, образующих аномальные космические лучи. Они наблюдаются вблизи Земли и могут представлять существенную опасность для космонавтов, поэтому ученые хотят лучше понять, что их вызывает.

Семена для этих энергетических и сверхбыстрых частиц также могут помочь сформировать границу, где солнечный ветер встречается с межзвездным пространством. Аномальные космические лучи наблюдались двумя «Вояджерами» вблизи этих границ, но лишь в своей окончательной стадии, так что остались вопросы касательно точного расположения и механизма их происхождения.

«Вояджеры не смогли измерить зародыши этих частиц, только результат, — говорит Кристиан. — Поэтому когда «Новые горизонты» вошли в этот регион, этот пробел в наблюдениях заполнился данными».

Сравнивая модели с результатами наблюдений

Поскольку «Новые горизонты» — один из немногих космических аппаратов, которые исследовали космическую среду внешней Солнечной системы, отсутствие подкрепляющих данных означает, что ключевой частью работы Эллиотт стала просто калибровка данных.

Она откалибровала наблюдения «Новых горизонтов» в соответствии с результатами обширных испытаний на лабораторной версии прибора и сравнила с данными из внутренней Солнечной системы. Инструменты NASA ACE и STEREO, например, наблюдают за космосом вблизи орбиты Земли, позволяя ученым делать снимки солнечных событий, когда те отправляются на край Солнечной системы. Но поскольку космическая среда во внешней Солнечной системе является относительно неисследованной, было неясно, как будут развиваться эти события. Единственная предыдущая информация о пространстве этого региона осталась от «Вояджера-2», который пролетал эту область космоса около четверти века назад.

«Есть ряд схожих характеристик между тем, что видели «Новые горизонты» и «Вояджер-2», но некоторые события отличаются, — говорит Эллиотт. — Солнечная активность была интенсивнее, когда «Вояджер-2» пролетал через эту область».

Теперь, вооружившись двумя наборами данных из этой области, ученые располагают большим объемом информации из этого удаленного уголка космоса. Это не только позволит нам лучше охарактеризовать космическую среду, но и поможет проверить важные модели распространения солнечного ветра в Солнечной системе.