Energetic Electrons Cool The Solar System

Описанная выше картина глобальной гелиосферы была предложена в 1970 г. в работе сотрудников ИКИ и МГУ им. М. В. Ломоносова В. Б. Баранова, К. В. Краснобаева и А. Г. Куликовского. Её затем уточняли, по мере появления экспериментальных данных о солнечном ветре на разных расстояниях от Солнца. Особенно важными оказались данные «Пионеров-11» и «Вояджеров» — тех космических аппаратов, которые пересекли всю Солнечную систему по направлению к её «носу».

Это путешествие преподнесло много сюрпризов, и один из них — неожиданно маленькая, по сравнению с предсказаниями, толщина гелиосферного ударного слоя, то есть области, где скорость солнечного ветра снижается до дозвуковой. По данным «Вояджера-1», она составила 28 астрономических единиц (а.е., среднее расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 150 млн км), а «Вояджера-2» — 34 а.е. Оба значения существенно меньше, чем предполагалось моделями, — 50-70 а.е.

Эта проблема ждала своего решения более десяти лет — фактически, с 2012 г., когда «Вояджер-1» впервые в истории человечества пересек гелиопаузу на расстоянии 122 а.е. от Солнца («Вояджер-2» — в 2018 г. на расстоянии 119 а.е.). Попытки объяснить такую малую толщину вариациями параметров межзвездной среды, например, направлением магнитного поля, оказались неудачными.

Владислав Измоденов, профессор РАН, заведующий лабораторией межпланетной среды ИКИ РАН, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, и Дмитрий Алексашов старший научный сотрудник ИКИ РАН и Института проблем механики РАН, предложили, что причину надо искать не во временных изменениях каких-то характеристик, а в самом «устройстве» гелиосферы, и поэтому следует рассмотреть ее более детально.

Ученые обратили внимание на электронную теплопроводность, то есть передачу тепла через энергию движения электронов. Электроны, вместе с протонами солнечного ветра, захваченными протонами межзвездной среды и ядрами гелия — основные компоненты солнечной плазмы. Поскольку электроны, как и протоны, — заряженные частицы, то они движутся по магнитным силовым линиям, и, в частности, могут уносить тепловую энергию вдоль магнитных силовых линий из лобовой части гелиосферы в её хвост. Далее следовали оценить действие этого механизма на устройство гелиосферы в целом.

В 2014 г. Владислав Измоденов с коллегами предложили первую упрощенную модель, которая показала, что теплопроводность, действительно, важна, но для окончательного ответа на вопрос, что именно меняется в гелиосфере, если мы учтем её, требовалось провести более сложное моделирование. Оно должно было учитывать взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой в динамике и в трех измерениях. Задача усложнялась тем, что временной масштаб, на котором действует теплопроводность, во много раз меньше временного масштаба, характерного для других гелиосферных процессов.

Но проблемы удалось решить. Владислав Измоденов и его коллега Дмитрий Алексашов провели трехмерное кинетико-магнитогидродинамическое моделирование глобальной гелиосферы с учетом эффектов теплопроводности. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Новизна модели состояла в том, что в нее были включены уравнения притока тепла с учетом анизотропной теплопроводности. После того, как они были численно решены, полученное распределение теплового давления было учтено при решении уравнений идеальной магнитогидродинамики.

Полученные результаты затем сравнили с тем, что получалось без учета электронной теплопроводности.

Оказалось, что влияние электронной теплопроводности на структуру гелиосферы очень значительно и наиболее заметно именно в области гелиосферного ударного слоя. Вблизи плоскости солнечного экватора его толщина уменьшается примерно на 20 %, по сравнению с «начальной моделью», из-за того что гелиопауза приближается к Солнцу. Именно это и показали «Вояджеры».

Интересно, что в полярных областях гелиосферы толщина этого слоя должна уменьшиться более чем на 50%, в том числе потому, что дальше от Солнца сдвигается внутренняя граница гелиосферной ударной волны из-за большей скорости солнечного ветра.

Кроме объяснения имеющихся фактов, новая модель позволила сделать несколько «предсказаний», которые ещё предстоит проверить.

Первое из них — сильное понижение температуры плазмы внутреннего гелиослоя в направлении гелиопаузы до такой степени, что температура солнечного ветра в окрестности гелиопаузы становится ниже межзвездной.

Авторы объясняют это комбинированным воздействием теплопроводности и магнитного поля. Дело в том, что сразу после гелиосферной ударной волны — первой «границы» гелиосферы — температура очень высока. Именно поэтому электронная теплопроводность начинает работать очень эффективно, и электроны очень быстро «уносят» тепло по магнитным линиям в хвост гелиосферы. В результате плазма быстро остывает по направлению к гелиопаузе.

Второе неожиданное предсказание модели — согласно ей, температура электронов до гелиосферной ударной волны (где скорость солнечного ветра больше скорости звука) должна быть выше, чем предполагалось ранее. Вероятно, это связано с переносом тепла «обратно» из внутреннего гелиосферного ударного слоя. Однако пока нет надежных данных о температуре электронов в дальних областях гелиосферы, и прямое подтверждение ещё предстоит получить.

В целом, как полагают авторы, дальнейшее развитие моделирования глобальной гелиосферы состоит в учете новых физических процессов, действующих на микро- и мезо- масштабах и проявляющих себя на макромасштабах. В целом, глобальная структура гелиосферы хорошо описывается в рамках «однокомпонентного подхода» для описания плазменной компоненты, где учтен баланс массы, импульса и энергии. Но чтобы понять тонкую структуру гелиосферы и объяснить наблюдения, необходимо учитывать в модели новые компоненты — различия между солнечными и захваченными протонами, электронную компоненту и их разное поведение в ударных волнах.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект 19-12-00383.