Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее - Игорь Лисов

Условия в пути сильно отличались от встреченных «Вояджером-1». Солнечный ветер не стих совсем, а лишь замедлился до 120–170 км/с и постепенно повернул на 60° от радиального направления в сторону хвоста гелиосферы. Плотность плазмы с 2012 по 2017 г. колебалась вблизи отметок 0,0015–0,0020 см-3, ее температура стабилизировалась на уровне 5 × 104 К. Многократно регистрировались глубокие провалы в концентрации энергичных электронов, чего не отмечалось на первом аппарате; концентрация ионов при этом тоже снижалась, но довольно слабо.

Как научное сообщество, так и заинтересованные любители с интересом следили за данными и графиками, генерируемыми подсистемой космических лучей CRS, – одним из ключевых приборов на борту аппарата. Как мы помним, они отображали поток ионов низких энергий солнечного происхождения (энергетический канал 0,5 МэВ) и межзвездных ионов с высокой энергией (70 МэВ) по данным телескопов LET и HET соответственно. По опыту «Вояджера-1», счет межзвездных частиц должен был пойти вверх, а солнечных – резко обвалиться.

5 октября 2018 г. JPL объявила, что с конца августа начался рост числа частиц высоких энергий на CRS, составивший уже 5 %. Специализированный прибор LECP для регистрации частиц низких энергий как будто подтверждал, что ситуация меняется. 16 октября на заседании комитета по солнечной и космической физике новый глава Отделения астрофизики в головном офисе NASA Никола Фокс сообщил, что эксперты ожидают прохождения гелиопаузы в ближайшие 90 суток.

В отличие от своего собрата, «Вояджер-2» имел исправный детектор PLS и мог непосредственно измерить три компоненты электрического тока, по которым далее вычислялись плотность, температура и скорость движения плазмы. Графики силы тока пошли вниз с начала октября и достигли минимума 5 ноября: поток солнечного ветра прекратился! В этот же день на CRS начался обвал потока солнечных ионов и ускорился рост числа межзвездных 70-МэВных частиц. Как и на «Вояджере-1» в августе 2012 г., падение потока солнечных ионов перемежалось краткосрочными подъемами и заняло около месяца, закончившись в первых числах декабря. Тогда же установился на новом уровне и поток межзвездных частиц – всего на 8 % больше, чем вокруг первого аппарата, хотя их уже разделяли многие миллиарды километров. Данные магнитометра и специализированного прибора LECP для регистрации частиц низких энергий подтвердили: гелиопауза пройдена.

NASA приурочило официальное заявление к осенней сессии Американского геофизического союза в Вашингтоне. 10 декабря научный руководитель проекта Эдвард Стоун объявил, что «Вояджер-2» пересек гелиопаузу 5 ноября 2018 г. на расстоянии 119,0 а.е. от Солнца, что соответствовало 17,8 млрд км. На прохождение гелиослоя он затратил 134 месяца – в полтора раза больше напарника, но точка выхода оказалась чуть ближе к светилу.

Менеджер проекта в JPL Сюзанна Додд отметила, что все счастливы и почувствовали облегчение оттого, что оба аппарата «Вояджер» проработали достаточно долго, чтобы достичь этого рубежа и теперь с нетерпением ждут, что смогут узнать, имея оба зонда за гелиопаузой. Эд Стоун сформулировал ожидания ученых более четко: «Предстоит еще многое узнать о межзвездном пространстве непосредственно за пределами гелиопаузы».

Интересная загадка, например, связана с плотностью межзвездной среды в этой зоне. «Вояджеры» не способны измерить протонную компоненту, но могут определить плотность электронной плазмы, а из общих соображений количество частиц обоих знаков в единице объема должно быть примерно одинаковым.

До пересечения магнитопаузы «Вояджером-2» плотность плазмы определялась напрямую из данных плазменного инструмента PLS. С прохождением границы, однако, энергия частиц снизилась настолько, что такие измерения перестали давать надежную информацию. Поэтому и на втором аппарате остался лишь косвенный способ оценки плотности плазмы – по частоте ее осцилляций, вызванных эпизодическими солнечными событиями и регистрируемых плазменно-волновым прибором PWS. Частота осцилляций вычислялась по наличию и интенсивности радиоизлучения в трех каналах прибора (1,78, 3,11 и 5,62 кГц), а затем пересчитывалась в электронную плотность.

Соответствующие данные для «Вояджера-2» Дональд Гарнетт и Уильям Курт опубликовали в Astrophysical Journal Letters за 25 августа 2020 г. Первое солнечное событие после пересечения гелиопаузы было зарегистрировано 30 января 2019 г. на расстоянии 119,7 а.е. от Солнца и принесло оценку плотности 0,039 частиц на 1 см3. Второе возмущение достигло пика 26 июня 2020 г. на отметке 124,2 а.е. и выявило более чем двукратный рост плотности плазмы – до 0,087 см-3.

Как мы помним, аналогичная картина наблюдалась и на «Вояджере-1»: за магнитопаузой измеренная плотность выросла с 0,055 на отметке 122,6 а.е. в октябре 2012 г. до 0,08 на расстоянии 123,8 а.е. в апреле 2013 г., а затем продолжала медленно увеличиваться, достигнув 0,13 см-3 в 2017 г. на удалении 140 а.е. от светила.

Явное сходство результатов – при том что два аппарата летят в сильно расходящихся направлениях, на 67° по гелиографической широте и на 43° по долготе, – говорило о глобальном характере явления. Природа его, однако, остается неясной. По одной из версий, межзвездное магнитное поле непосредственно после магнитопаузы сильнее, чем на удалении от нее, так как силовые линии внешнего поля плотно «окутывают» магнитосферу. Из-за этого возникает циклотронная нестабильность и концентрация плазмы снижается – отсюда, кстати, и происходит название «зона истощения». Другая гипотеза утверждает, что внешний материал, переносимый межзвездным ветром, замедляется при встрече с гелиопаузой и из-за этого уплотняется, примерно как автомобили в «пробке».

В пользу второй версии говорили данные инструмента UVS на «Вояджере-1», о которых уже упоминалось выше, и опубликованные в 2018 г. результаты измерений ультрафиолетового спектрометра Alice на аппарате «Новые горизонты». Он фиксировал в 2007–2017 гг. слабое свечение в линии Лайман-α, которое исследователи описали как результат рассеяния солнечных фотонов на атомах нейтрального водорода, образующего своеобразную «стену» на гелиопаузе.

Гарнетт и Курт указали на потенциальную возможность установления истины: если в первом случае плотность плазмы с удалением от гелиопаузы должна достигнуть максимального, уже невозмущенного значения, то во втором с прохождением «стены» рост сменится падением. В данных «Вояджера-1» в последние два года как будто наметилось осторожное снижение электронной концентрации, но связанные с ними погрешности велики, и пока рано утверждать, что пик пройден. Авторы работы с сожалением отметили, что «Вояджеры» могут не успеть разрешить эту загадку…

Зато спустя 37 лет (!) после обнаружения осцилляций плазмы командой Фредерика Скарфа, накопив и осмыслив измерения уже за гелиопаузой, ученые смогли наконец предложить теоретическую модель, частью которой эти осцилляции являются. Авторами статьи в январском номере The Astronomical Journal за 2021 г. стали ветераны проекта «Вояджер», отдавшие ему по полвека жизни, – Дон Гарнетт, Уильям Курт, Эдвард Стоун, Алан Каммингс, Стаматиос Кримигис, Норман Несс, Леонард Бурлага…