Где находится граница солнечной системы (стр. 2 из 3)
Как было описано в [3], нейтральные частицы (атомы водорода Н, гелия Не, кислорода О и др.) представляют собой газ, движение которого не может быть описано в рамках модели сплошной среды. Именно поэтому такие частицы могут проникать из межзвездной среды в Солнечную систему, в той или иной степени взаимодействуя с плазменной компонентой, структура течения которой представлена на рис. 2. Таким образом, нейтральные частицы межзвездного происхождения могут пересекать поверхности BS, HP, TS и проникать в Солнечную систему, где и обнаруживаются при помощи космических аппаратов (методы их регистрации будут изложены ниже). Их траектории на рис. 2 изображены штриховой линией.
Нейтральные атомы и молекулы, проникая из межзвездной среды в Солнечную систему, подвергаются влиянию различных физических процессов: фотоионизации солнечным излучением, процессам перезарядки (см. [2]) с протонами, ударной ионизации вследствие столкновений с электронами и т.п. На них также действуют сила гравитационного притяжения Солнца и сила солнечного радиационного давления (сила отталкивания). Поэтому нейтральные частицы межзвездного происхождения претерпевают существенные изменения по мере их вторжения в Солнечную систему. Последнее обстоятельство наводит на мысль, что возможно косвенное определение местоположения гелиопаузы (границы Солнечной системы) по регистрации таких изменений. В частности, атомы водорода весьма эффективно взаимодействуют с плазменной компонентой через посредство их перезарядки с протонами, в то время как взаимодействие атомов Не с протонами пренебрежимо мало. Это означает, что атомы гелия, вторгаясь в Солнечную систему, почти не изменяют свои параметры (например, температуру и плотность), а параметры атомов водорода должны быть подвергнуты существенным изменениям. Например, область между BS и HР на рис. 2 должна быть своеобразным фильтром, уменьшающим плотность атомов водорода, входящих в Солнечную систему. Сравнивая параметры соответствующего элемента, измеряемые путем астрономических наблюдений в межзвездной среде, с аналогичными измеряемыми параметрами в Солнечной системе, можно судить о физическом механизме изменения этих параметров. Интересно, что атомы кислорода также довольно эффективно взаимодействуют с плазменной структурой и так же, как и водород, подвергаются сильному ее влиянию при своем движении из межзвездной среды.
Наши расчеты показывают, что ударная волна TS в солнечном ветре и гелиопауза HP отстоят от Солнца в подветренной стороне на расстояниях примерно 90 и 120 а.е. соответственно. При этом расстояние до ударной волны TS на противоположной стороне от Солнца примерно в два раза больше, а гелиопауза вообще отсутствует, то есть в области за Солнцем нет четкой границы, отделяющей солнечный ветер от межзвездной плазмы.
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).
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.