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

Модель форшока, как они ее назвали, описывает взаимодействие ударных волн солнечного происхождения с межзвездной плазмой. Все начинается с выброса солнечного вещества, которое после нескольких месяцев пути достигает магнитопаузы, проникает в межзвездную среду и создает в ней ударные волны. Впереди них возникают осцилляции электронной плазмы, возбуждаемые пучками электронов с энергиями 20–100 эВ, движущимися вдоль линий межзвездного магнитного поля. Частоты осцилляций задаются плотностью среды, и благодаря этому обстоятельству уже построены радиальные профили электронной плотности во внешней гелиосфере и в межзвездной среде до дистанции 145 а.е. от Солнца.

На еще больших расстояниях земные аппараты-разведчики фиксируют всплески электронов высоких энергий, примерно от 5 до 100 МэВ. Они обнаружены впервые и объяснены отражением электронов космических лучей от ударной волны, которая сминает и усиливает магнитное поле, с последующим ускорением этих электронов уже в межзвездном поле. «Вояджер» фиксирует их тогда, когда ударная волна достигает магнитной линии, на которой он сам находится.

Понятно, что земные зонды «видят» описываемые события в обратном порядке, от следствия к причине. Сначала их настигают всплески энергичных электронов, летящих почти со скоростью света, через несколько суток начинает «вибрировать» плазма, и в последнюю очередь, спустя недели и даже месяцы, регистрируются ударные волны, скорость которых не превышает 450 км/с. По интервалу времени между всплесками и началом осцилляций плазмы как раз и удалось впервые оценить энергию возбуждающих их электронных пучков.

Еще одной «занозой» является расхождение между магнитными данными обоих «Вояджеров» и глобальной картиной, построенной на базе измерений других аппаратов.

Первые данные о направлении местного межзвездного магнитного поля были получены в 2005 г. по измерениям межзвездных нейтральных атомов гелия на «Улиссе» и водорода на околоземной солнечной и гелиосферной обсерватории SOHO. Это удалось сделать, потому что направление втекания водорода в большей степени подвержено вторичным воздействиям в гелиослое, чем направление втекания гелия. Различие в направлениях движения атомов двух элементов позволило определить так называемую плоскость B – V, в которой должен был лежать вектор межзвездного магнитного поля.

В октябре 2009 г. американский научный КА IBEX, запущенный специально для регистрации таких атомов, выявил на небе полосу, от которой они преимущественно приходят. Центр этой полосы с учетом погрешности лежал в плоскости B – V и примерно соответствовал направлению межзвездного поля. Более точно оно было определено Эриком Зирнстейном с соавторами и опубликовано в феврале 2016 г. в Astrophysical Journal Letters. Индукция межзвездного магнитного поля была определена в 0,29 нТ, а его направление получилось 227,3° долготы и +34,6° широты в эклиптической системе координат, или +147,5° долготы и +31° широты в гелиографической инерциальной. От направления, непосредственно определяемого трехкомпонентным магнитометром «Вояджера-1», оно отличалось более чем на 40°.

1 ноября 2015 г. Натан Швадрон, Леонард Бурлага и еще трое соавторов опубликовали в том же журнале статью, в которой отметили практически неизменную силу магнитного поля за три года после пересечения «Вояджером-1» гелиопаузы (0,47 ± 0,02 нТ) и медленный разворот его по направлению (примерно на 5° в год). Как раз эти исследователи и предложили модель, в которой внешнее магнитное поле вблизи гелиопаузы искривляется, как бы обертывая ее, так что силовые линии становятся параллельны поверхности раздела сред. С удалением от границы поле «выпрямляется» и, если нынешний темп разворота сохранится, то примерно через десять лет оно может принять то направление, которое было определено по данным «Улисса», «Кассини» и IBEX и которое ожидали увидеть еще в августе 2012 г. И если так будет, то станет ясно, что «Вояджер» достиг той области межзвездной среды, где влияние Солнца и солнечного ветра уже незначительно.

Впрочем, не все исследователи столь оптимистичны. 23 января 2020 г. Владислав Измоденов и Дмитрий Алексашов из ИКИ РАН представили в журнале Astronomy & Astrophysics результаты своих расчетов на базе кинетико-магнитогидродинамической модели гелиосферы и измерений «Вояджеров». Обоснованность параметров модели подтверждается отличным совпадением предсказанных и реальных точек пересечения магнитопаузы обоими «Вояджерами» и весьма точным наложением прогнозных компонент вектора магнитного поля за магнитосферой на реальные измерения. Индукция невозмущенного межзвездного поля определена в 0,37 нТ, а направление – как +125° долготы и +37° широты в гелиографической инерциальной системе, причем оно составляет угол 60° с направлением потока межзвездной среды. Модель также показывает, что Солнце будет вносить возмущения в межзвездное магнитное поле вплоть до расстояний 400–500 а.е., которых «Вояджеры» в активном состоянии достичь уже не смогут.

Поразительно все-таки, как за 40 лет изменился фокус исследований на «Вояджерах». В начале пути исследователи хотели узнать, как выглядят и как устроены Юпитер, Сатурн и их спутники. В конце они пытаются разобраться, как устроена межзвездная среда и чем определяются ее свойства.

Два уникальных земных аппарата продержались уже 43 года, но энергии на борту «Вояджеров» вырабатывается все меньше, и их полезная работа, скорее всего, завершится вскоре после того, как они отметят полувековой юбилей своего старта.

Межзвездная экспедиция «Вояджеров» изначально планировалась на 30 лет – с 1990 по 2019 г. В связи с хорошим состоянием аппаратов в середине 2010-х гг. началось планирование операций на дополнительный период – до 2025 г. или несколько дольше.

Основной проблемой эксплуатации к этому времени стало усугубляющееся противоречие между все более низкой выработкой электроэнергии и необходимостью питать не только служебные системы и научную аппаратуру, но и хотя бы некоторые нагреватели для поддержания приемлемого теплового режима.

В феврале 2015 г., когда прекратилась публикация еженедельных сводок состояния КА, выработка энергии на обоих «Вояджерах» была близка к 255 Вт и сокращалась примерно на 4 Вт в год. Резерв подошел к опасной отметке 23 Вт, при том что потребление удалось снизить до 231–232 Вт.

На первом КА для этого выключили замещающий нагреватель IRIS (7 декабря 2011 г.) и дополнительный нагреватель сканирующей платформы (20 января 2014 г.), сэкономив около 14 Вт. На втором 18 января 2012 г. прекратили подогрев топливопровода к двигателям ориентации основного контура, снизив расход энергии на 12 Вт.

После этого на «Вояджере-1» удалось сэкономить еще 4,8 Вт за счет отключения 21 июля 2015 г. замещающего нагревателя ультрафиолетового спектрометра UVS, а 18 апреля 2016 г. – и самого прибора.

29 октября 2016 г. на «Вояджере-1» состоялось последнее штатное продолжительное включение гироскопов. 2 и 3 ноября аппарат провел два полуторачасовых сеанса измерений прибором LECP с разворотами по крену, 4 ноября сделал разворот MAGROL для калибровки магнитометра, а 5 ноября гироскопы были выключены. На «Вояджере-2» аналогичные операции в последний раз проводились с 3 по 15 декабря 2015 г.