Возможные методы наблюдения границы солнечной системы

Методы экспериментального изучения характеристик области сильного взаимодействия солнечного ветра и межзвездной среды можно условно разделить на две группы: (а) косвенные измерения параметров течения, для интерпретации которых требуется привлечение какой-либо реальной теоретической модели, и (б) прямые их измерения, как, например, непосредственное измерение скачка параметров плазмы в ударной волне TS. Для реализации прямых измерений космическому аппарату требуется непосредственно достичь тех областей, выявление физических особенностей которых представляет научный интерес. К таким относятся области II и III на рис. 2, и, как видно из рис. 1, космические аппараты могут достичь их только в следующем столетии. Тем не менее уже сейчас прямые измерения скорости солнечного ветра в области I на аппаратах “Вояджер” и “Пионер” указывают на его замедление и разогрев с увеличением гелиоцентрического расстояния. Эти эффекты предсказывались ранее теоретически и объяснялись как следствие воздействия на солнечный ветер протонов, образовавшихся в результате перезарядки атомов Н, движущихся из межзвездной среды, на протонах солнечного ветра.

Однако до сих пор наибольшую информацию о характере взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой дали косвенные измерения, которые удобны тем, что можно судить о физических процессах в областях, сильно удаленных от места измерения. Например, можно многое сказать об области перехода от солнечного ветра к межзвездной среде, проводя измерения на 1 а.е. В качестве иллюстрации можно отметить, что начиная с 1971 года эксперименты по рассеянному солнечному излучению, проводившиеся на космических аппаратах OGO-5, “Венера”, “Марс” и др., показали, что из межзвездной среды в солнечный ветер проникают атомы водорода и гелия (для длин волн в 1216 и 584 A соответственно), вектор скорости которых находится почти в плоскости эклиптики и равен по величине 20-25 км/с, а их температура порядка 8000-10 000 К (сверхзвуковое течение). Концентрации атомов Н и Не в межзвездной среде из этих экспериментов оценивались как n(H) = 0, 05 см- 3, n(He) = 0, 01 см- 3 соответственно.

В чем заключается принцип таких измерений? В частности, атомы водорода, движущиеся из межзвездной среды, рассеивают солнечное излучение на длине волны 1216 A (1 A = 10- 8 см). Это рассеянное излучение можно детектировать прибором, установленным на борту космического аппарата, вышедшего за пределы земной атмосферы, например на борту спутника Земли. На <рис. 3 показана принципиальная схема таких измерений, проводившихся на спутниках “Прогноз”. По интенсивности принимаемого сигнала можно судить о плотности рассеивающих частиц, а по эффекту Доплера - о направлении их движения. Чтобы получить величину скорости и температуру газа, представляющего собой атомы Н, прибор, который был установлен на борту “Прогноза”, имел специальную “кювету” с известной величиной поглощаемого излучения на длине волны 1216 A (излучение на этой длине волны часто называют лайман-альфа-излучением). Аналогичные измерения, но на длине волны 584 A можно проводить для определения параметров атомов Не, проникающих в Солнечную систему из межзвездной среды. Очевидно, что интерпретация таких измерений сильно зависит от принятой модели течения. Так, например, первые интерпретации измерений параметров атомов Н не принимали в расчет эффект “фильтра” в области сильного взаимодействия между солнечным ветром и плазменной компоненты межзвездной среды (области между BS и TS).

Рис. 3.Принципиальная схема измерений рассеянного солнечного излучения прибором, установленным на борту спутника Земли. Стрелка указывает направление движения атомов межзвездной среды, которые проникают в Солнечную систему. Белый квадратик указывает на плоскость, в которой вращается прибор, установленный для измерений, VS - вектор скорости Земли, 1-5 - положения прибора в пяти сеансах

Интересно, что астрофизические оценки космического содержания гелия по отношению к водороду дают величину n(He) / n(H) 0, 1, а измеряемое по рассеянному солнечному излучению то же отношение в Солнечной системе дает величину существенно большую. Естественно, что интерпретация полученного расхождения давала повод для размышления. Сомнения были мгновенно рассеяны после того, как в работах Макса Уоллиса (Кардифф-колледж) и автора этих строк с сотрудниками было показано, что область III на рис. 2 играет важную роль (роль своеобразного “фильтра”) в проникновении некоторых атомов, и в частности атомов водорода, из межзвездной среды в Солнечную систему, и не учитывалась при первых интерпретациях рассеянного солнечного излучения. Этот “фильтр” важен для атомов Н вследствие большой эффективности их перезарядки с протонами (подробнее см. в [3]) и практически не влияет на движение атомов гелия, поскольку эффективность перезарядки атомов Не много меньше. Это и приводит к увеличенному отношению n(He) / n(H) в Солнечной системе. Таким образом, удается косвенным образом подтвердить наличие области III, где взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой проявляется наиболее сильно. Тот же эффект, но другими методами был недавно подтвержден измерениями на уникальном космическом аппарате “Улисс”, запущенном Европейским космическим агентством в октябре 1990 года для проведения экспериментов вне плоскости солнечной эклиптики. Здесь надо отметить, что область II в принципе также является “фильтром” для атомов Н вследствие их перезарядки с протонами солнечного ветра. Однако этот “фильтр” малоэффективен из-за того, что концентрация протонов в этой области существенно меньше концентрации протонов межзвездной среды в области III.

На борту космических станций “Вояджер” также проводятся измерения рассеянного солнечного лайман-альфа-излучения. Результаты этих измерений невозможно было объяснить на основе теории, не учитывающей плазменную компоненту межзвездной среды: оказывается, что интенсивность измеренного излучения падает с удалением от Солнца существенно медленнее, чем предсказывается этой теорией. Открытый теоретически в работе [5] эффект немонотонного изменения концентрации атомов водорода вблизи границы Солнечной системы, то есть вблизи гелиопаузы, позволил объяснить это явление. На рис. 4 показано распределение с подветренной стороны безразмерной плотности атомов Н, движущихся из межзвездной среды в Солнечную систему. Чтобы получить размерную плотность (в см- 3), надо умножить на 0, 14. Максимум этого распределения, получивший название водородной стенки, и является своеобразной характеристикой границы Cолнечной системы, а рассеяние на ней солнечного излучения дает эффект более медленного убывания интенсивности лайман-альфа-излучения, измеряемого на “Вояджерах”. Интересно отметить, что спектры поглощения излучения в линии 1216 A, полученные на HST (Hubble Space Telescop) учеными из Боулдерского университета (США), привели к выводу о том, что объяснение результатов эксперимента возможно только при привлечении эффекта водородной стенки (водородная стенка дает дополнительную линию поглощения в полученных спектрах). Этим самым ученые из Боулдерского университета, проводившие эти измерения, заявили об экспериментальном подтверждении наличия водородной стенки вблизи границы Солнечной системы.

Рис. 4.Рассчитанное теоретически распределение с подветренной стороны плотности атомов Н, движущихся из межзвездной среды. Пик этого распределения, находящийся вблизи гелиопаузы, положение которой отмечено через НР, назван водородной стенкой

Год назад российская телевизионная программа “Время” неожиданно объявила о том, что американскими учеными обнаружена граница Солнечной системы, расстояние до которой оценивалось в 120-150 а.е. Как часто доверчивый слушатель принимает разного рода недостоверные сведения за истину в последней инстанции! Нам, естественно, тоже хотелось поверить в это сообщение, поскольку наши оценки размеров Солнечной системы совпадали с сообщенными в программе “Время” (расстояние до гелиопаузы оценивалось в 120 а.е.). Однако оказалось, что это сильное утверждение было связано с измерениями на аппаратах “Вояджер” низкочастотного радиоизлучения вблизи 2 кГц. Одна из его интерпретаций привела к выводу о том, что колебание измеряемого электрического поля с такой частотой может быть следствием идущего от гелиопаузы сигнала, который возникает из-за ее взаимодействия с возмущениями, проникающими сюда из солнечного ветра. Зная скорость распространения этого сигнала и время его прохождения, можно определить расстояние до гелиопаузы НР, то есть расстояние до границы Солнечной системы. Ясно, что эта оценка сильно зависит от модели течения, носит весьма косвенный характер и не является вполне достоверной, хотя причина возникновения самого сигнала может быть рассмотрена как разумная гипотеза.

Большие надежды в экспериментальном плане возлагаются на прямые измерения плазменных параметров на космических аппаратах “Вояджер 1 и 2” и “Пионер 10 и 11”. В частности, имеется надежда, что в недалеком будущем некоторые из них смогут пересечь ударную волну в солнечном ветре TS (аппарат “Пионер 10” удаляется от Солнца вдоль вектора скорости межзвездного газа, то есть он находится в хвосте гелиосферы, где расстояние до TS в два раза больше, чем в подветренной стороне). Что касается косвенных измерений, то наши надежды связываются с проводимым в настоящее время французскими учеными экспериментом SWAN по рассеянному солнечному излучению, на борту спутника SOHO, запущенного в конце прошлого года, и с экспериментами на борту космического аппарата “Улисс”, о котором шла речь в статье [2].

Заключение

Мы видели, что теоретическая модель строения гелиосферы, ограниченной гелиопаузой, приводит к оценке размера Cолнечной системы в сотню и более астрономических единиц. Однако модельные представления требуют все новых экспериментальных подтверждений. При этом наиболее интересными для физики рассмотренного в нашей статье явления окажутся расхождения, которые, очевидно, появятся при сравнении предсказаний теории с результатами экспериментов. Усовершенствование теоретической модели путем введения в нее новых физических компонент, таких, например, как межпланетное и межзвездное магнитные поля, галактическая и аномальная составляющие космических лучей и т.п., поможет выявить новые физические явления и устранить возможные расхождения. Предстоит еще исследовать влияние солнечной активности на структуру гелиосферы и проникновение различных атомов и молекул из межзвездной среды в Солнечную систему. Последняя проблема может иметь и прикладное значение, поскольку вполне возможно, что испарение некоторых элементов из атмосфер планет, включая нашу Землю, восполняется за счет их притока из межзвездной среды.

В настоящий момент под влиянием все новых экспериментальных данных наша группа активно работает над усовершенствованием модели, первый вариант которой предложен еще в 1970 году в работе [4].

Список литературы

 [1]. Физика космоса. М.: Сов. энциклопедия, 1976.

[2]. Баранов В.Б. Что такое солнечный ветер (см) // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. No 12. С. 81-86.

[3]. Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой // Докл. АН СССР. 1970. Т. 194, вып. 1. С. 41-44.

[4]. Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой // Докл. АН СССР. 1970. Т. 194, вып. 1. С. 41-44.

[5]. Baranov V.B., Lebedev M.G., Malama Yu.G. The Influence of the Interface between the Heliosphere and the Local Interstellar Medium on the Penetration of the H-atoms to the Solar System // Astrophys. J. 1991. Vol. 375. P. 347-351.