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

Между этими пределами существует естественная граница, хорошо определяемая по свойствам и составу вещества в космическом пространстве.

Поток солнечного ветра сталкивается на этой границе с потоком межзвездного вещества, напоминающим своеобразную «реку». По современным представлениям, в окрестностях Солнца эта «река» течет со скоростью 23 км/с со стороны созвездия Змееносца (α = 258,5°, δ = –18°) в сторону Тельца и Ориона. В грубом приближении направление потока противоположно направлению движения Солнца, апекс которого находится в Геркулесе. Есть данные о том, что за последние 40 лет направление «реки» изменилось на 4–9°, что не должно удивлять: вряд ли межзвездный поток вещества отличается строгой равномерностью.

Существует граница двух потоков, внутри которой господствует солнечное магнитное поле и движение горячей плазмы, заряженных частиц солнечного вещества, а снаружи – межзвездное магнитное поле и поток межзвездного вещества. Граница называется гелиопаузой, а область внутри нее – гелиосферой, хотя в действительности она не совсем сферична – сплюснута в направлении движения Солнца и навстречу межзвездному магнитному полю и вытянута в противоположном.

С каждой стороны от границы имеется переходная область. Внутри сверхзвуковой поток солнечного ветра начинает тормозиться, взаимодействуя с галактическим веществом. Там, где скорость его резко падает и становится дозвуковой, располагается ударная волна, а после нее начинается гелиослой. Снаружи гелиосферы также существует некий пограничный слой, не имеющий головной ударной волны, так как скорость движения Солнца и всего «пузыря» гелиосферы не превосходит местную звуковую скорость во внешней среде. Впрочем, о том, каковы характеристики этой внешней среды, впервые стало известно лишь в мае 2012 г. по данным американского зонда IBEX[107].

Важно подчеркнуть, что гелиосфера намного меньше Солнечной системы в гравитационном определении. Восемь планет и малые тела пояса Койпера, заканчивающегося примерно на 50 а.е., обращаются внутри нее. Облако Оорта, управляемое гравитацией Солнца, находится далеко за пределами гелиосферы.

Пройти границу между солнечным и межзвездным веществом и изучить на месте свойства среды в гелиослое и за гелиопаузой являлось с 1990 г. основной задачей «Вояджеров». Ученые рассчитывали, что «Вояджер-1», идущий примерно в направлении апекса Солнца и навстречу «потоку», достигнет цели первым. Так оно в итоге и оказалось.

Три из пяти основных приборов гелиосферной миссии «Вояджеров» вели регистрацию параметров среды, обусловленных Солнцем. Магнитометр MAG измерял индукцию магнитного поля, плазменная подсистема PLS (только на «Вояджере-2») – параметры солнечного ветра, а детектор заряженных частиц низких энергий LECP – энергетический спектр частиц, приходящих со стороны Солнца. Детектор плазменных волн PWS пытался уловить колебания, идущие со стороны гелиосферы, а детектор космических лучей CRS – построить энергетический спектр космических лучей межзвездного происхождения.

В ноябре 1990 г. магнитометры двух КА регистрировали поле с индукцией 1,3 и 0,75 нТ, а рабочий PLS «видел» солнечный ветер со средней скоростью 450 км/с и плотностью частиц порядка 0,013 на 1 см3. CRS и LECP показывали низкие фоновые значения.

Самым первым сигналом «извне» стало радиоизлучение с пиком мощности в полосе 2–3 кГц, которое детектор плазменных волн PWS на «Вояджере-1» зафиксировал 30 августа 1983 г., а менее чувствительный датчик на «Вояджере-2» – двумя неделями позже. Наиболее заметно оно было в частотном канале 3,11 кГц, очень недолго наблюдалось также в канале 1,78 кГц, а в канале 5,62 кГц отсутствовало. Излучение достигло максимума 12 октября, после чего стало слабеть и к февралю 1984 г. сошло на нет.

В статье в Nature от 1 ноября 1984 г. Уильям Курт, Дональд Гарнетт, Фредерик Скарф и Роберт Пойнтер показали, что излучение отличается спектром от «сигналов» Юпитера и Сатурна и слишком сильно для Урана. Они предположили, что источником килогерцового излучения является внутренняя ударная волна перед гелиопаузой, возбужденная солнечной вспышкой в июле 1982 г., и предварительно «поместили» последнюю на отметку 46 а.е. от Солнца.

Отсюда следовало, что «Вояджер-1» достигнет ее уже в 1991 г. – но это предположение оказалось чересчур оптимистическим. Всего через пять лет, в 1989 г., руководители полета уже говорили, что «Вояджеры» могут пересечь гелиопаузу в 2012 г. «Попадание» было идеальным – и почти случайным.

После 1984 г. килогерцовые сигналы надолго пропали и были вновь зарегистрированы на обоих КА, причем почти одновременно, в августе 1992 г., когда «Вояджер-1» удалился от Солнца на 50 а.е., а «Вояджер-2» – на 38 а.е. На этот раз пик пришелся на декабрь, и после него излучение пошло на убыль. Докладывая об открытии 26 мая 1993 г., ученые группы Гарнетта отметили, что в июне и июле 1991 г. отмечалась очень высокая активность Солнца с выбросом больших объемов плазмы. Через много месяцев солнечные протоны достигли наконец зоны ударной волны. Это привело к росту турбулентности и резкому усилению интенсивности излучения, что и позволило вновь обнаружить его приборами «Вояджеров». По крайней мере, других идей о природе феномена не было.

Дон Гарнетт оценил суммарную мощность сигналов в 10 ТВт и для публики назвал их самым мощным радиоисточником в Солнечной системе. Для специалистов была гораздо важнее оценка расстояния от Солнца до гелиопаузы. По времени от инициирующего события до реакции на него Гарнетт определил дистанцию в 90–120 а.е. Выступая от имени научной группы PLS, Ральф МакНатт привел очень близкую оценку: от 83 до 130 а.е. Местонахождение ударной волны определялось тогда в 70–80 а.е., так что два КА могли достичь ее в 1998–2001 и 2003–2006 гг. соответственно.

В сентябре 1997 г. по случаю 20-летия запуска «Вояджеров» были объявлены новые, не столь оптимистические прогнозы. Представитель группы CRS Алан Каммингс заявил, что ударная волна должна находиться между 62 и 90 а.е. с наиболее вероятным значением 85 а.е. От также отмечал, что, поскольку «Вояджер-1» сейчас находится примерно на 67 а.е. и удаляется на 3,5 а.е. в год, можно ожидать пересечения ударной волны до конца 2003 года.

Стаматиос Кримигис отчитался за регистрацию ионов и электронов низких энергий на аппаратуре LECP и заявил, что в течение пяти последних лет мы наблюдали выраженные вариации плотности этих ионов, но пока не видим свидетельств ударной волны.

Джон Ричардсон, «хозяин» PLS, был вынужден отвечать за один исправный прибор на «Вояджере-2». Он сообщил, что плазменная подсистема обнаружила медленный рост скорости солнечного ветра, которая достигла максимума в конце 1996 г. и после этого стала медленно снижаться. Ричардсон соотнес пик скорости с недавним солнечным минимумом и сказал, что с приближением к максимуму в 2000 г. давление солнечного ветра снизится, а ударная волна и гелиопауза сместятся в направлении приближающихся КА.

Дон Гарнетт дал оценку местонахождения гелиопаузы на основе все того же радиовсплеска 1992 г., но сдвинул ее вдаль от Солнца – в пределы от 110 до 160 а.е. Ударную волну он ожидал между 80 и 115 а.е.