Космический корабль «Вояджер» обнаружил увеличение плотности космоса за пределами Солнечной системы

В ноябре 2018 года после эпического 41-летнего путешествия «Вояджер-2» наконец пересек границу, обозначавшую предел влияния Солнца, и вошел в межзвездное пространство. Но миссия маленького зонда еще не завершена — теперь он отправляет домой информацию о космосе за пределами Солнечной системы.

И ученые обнаружили нечто удивительное. По мере того как «Вояджер-2» все дальше и дальше от Солнца, плотность пространства увеличивается.

Это не первый раз, когда обнаруживается такое увеличение плотности. «Вояджер-1», который вошел в межзвездное пространство в 2012 году, обнаружил аналогичный градиент плотности в другом месте.

Новые данные «Вояджер-2» показывают, что не только обнаружение «Вояджер-1» было правильным, но и что увеличение плотности могло быть крупномасштабной особенностью локальной межзвездной среды.

Край Солнечной системы можно определить несколькими разными границами, но граница, пересекаемая зондами «Вояджер», известна как гелиопауза, и она определяется солнечным ветром.

Это постоянный сверхзвуковой ветер с ионизированной плазмой, который истекает от Солнца во всех направлениях, и гелиопауза — это точка, в которой внешнее давление этого ветра уже недостаточно велико, чтобы противостоять ветру из межзвездного пространства. 

Пространство внутри гелиопаузы — это гелиосфера, а пространство за ее пределами — межзвездное. Но гелиосфера не круглая сфера. Она больше похоже на овал с Солнечной системой на одном конце и струящимся хвостом позади; «нос» направлен в направлении орбиты Солнечной системы в Млечном Пути.

Оба «Вояджера» пересекли гелиопаузу на носу, но с разницей в 67 градусов по гелиографической широте и 43 градуса по долготе.

Космическое пространство обычно считается вакуумом, но это не совсем так. Плотность материи крайне мала, но она все еще существует. В Солнечной системе солнечный ветер имеет среднюю плотность протонов и электронов от 3 до 10 частиц на кубический сантиметр, но она тем ниже, чем дальше вы улетаете от Солнца.

Средняя концентрация электронов в межзвездной среде в Млечном Пути, среди звезд, по расчетам, составляет около 0,037 частиц на кубический сантиметр. А плотность плазмы во внешней гелиосфере составляет около 0,002 электрона на кубический сантиметр.

Когда зонды «Вояджер» вышли за пределы гелиопаузы, их приборы для изучения плазменных волн регистрировали электронную плотность плазмы посредством плазменных колебаний.

«Вояджер-1» пересек гелиопаузу 25 августа 2012 года на расстоянии 121,6 астрономических единиц от Земли (это в 121,6 раза больше расстояния между Землей и Солнцем, то есть примерно 18,1 миллиардов километров).

Когда зонд впервые измерил плазменные колебания после пересечения гелиопаузы 23 октября 2013 года на расстоянии 122,6 астрономических единиц (18,3 миллиардов километров), «Вояджер-1» обнаружил плотность плазмы 0,055 электронов на кубический сантиметр.

«Вояджер-2», пролетев мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, 5 ноября 2018 года пересек гелиопаузу на расстоянии 119 астрономических единиц (17,8 миллиардов километров). Он измерил плазменные колебания 30 января 2019 года на расстоянии 119,7 астрономических единиц (17,9 миллиардов километров), обнаружив плотность плазмы 0,039 электронов на кубический сантиметр, что очень близко к измерению «Вояджер-1». 

Оба прибора сообщили об увеличении плотности. После пролета еще 20 астрономических единиц (2,9 миллиардов километров) «Вояджер-1» сообщил об увеличении до 0,13 электронов на кубический сантиметр.

Но обнаружения, сделанные «Вояджер-2» в июне 2019 года, показали гораздо более резкое увеличение плотности до примерно 0,12 электронов на кубический сантиметр на расстоянии 124,2 астрономических единицы (18,5 миллиардов километров).

Учитывая, что плазма при атмосферном давлении Земли имеет плотность электронов 10 ^13 на кубический сантиметр, эти количества могут показаться крошечными, но они достаточно значительны, чтобы оправдать наш интерес — тем более, что неясно, что их вызывает.

Одна из теорий заключается в том, что силовые линии межзвездного магнитного поля становятся сильнее по мере того, как они перекрывают гелиопаузу. Это может вызвать электромагнитную ионную циклотронную неустойчивость, которая истощает плазму из области перекрытия. «Вояджер-2» действительно обнаружил более сильное магнитное поле, чем ожидалось, когда он пересек гелиопаузу.

Другая теория заключается в том, что материал, уносимый межзвездным ветром, должен замедляться по мере достижения гелиопаузы, вызывая своего рода пробку. Возможно, это было обнаружено зондом New Horizons, который в 2018 году уловил слабое ультрафиолетовое свечение, вызванное накоплением нейтрального водорода в гелиопаузе.

Также возможно, что оба объяснения правильны. Будущие измерения, от  зондов «Вояджер», могут помочь в этом разобраться.

Мы верим в вас, космические зонды!

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

Источники: Фото: NASA/JPL-Caltech