Межзвездная пыль проникает через «порог» Солнечной системы
Результаты моделирования, которые провели сотрудники ИКИ РАН Егор Годенко и Владислав Измоденов, показали, что свойства плазмы на границах гелиосферы помогают мелким частицам межзвездной пыли проникать ближе к Солнцу. Благодаря таким моделям появляется возможность, измеряя параметры пыли внутри Солнечной системы, изучать свойства межзвездного вещества за её пределами.
Солнце и вместе с ним Солнечная система движутся в Галактике со скоростью примерно 26,4 км в секунду. При этом от Солнца непрерывно истекает сверхзвуковой поток плазмы — солнечный ветер (его скорость составляет 300 – 700 км/с), и в более разреженной межзвездной плазме образуется гелиосфера — область пространства, заполненная веществом Солнца.
От межзвездной среды гелиосферу отделяют несколько границ. Первая — гелиосферная ударная волна (termination shock), где скорость солнечного ветра падает от сверхзвуковой к дозвуковой. Потом следует область внутреннего гелиосферного ударного слоя (inner heliosheath), которая заканчивается на второй границе — гелиопаузе (heliopause), отделяющей солнечную плазму от межзвездной. Далее следует область дозвукового течения межзвездной среды или внешний гелиосферный ударный слой (outer heliosheath). Ещё далее может располагаться третья граница — головная ударная волна, хотя её существование пока остается предметом дискуссий.
Пространство между ударными волнами также называют гелиосферным ударным слоем (heliospheric interface). Здесь солнечный ветер непосредственно взаимодействует с межзвездной средой. Это взаимодействие зависит от параметров обоих сред: величин и направлений электромагнитных полей, температуры и скорости плазмы и других.
Границы между межзвездной средой и Солнечной системой проницаемы. Из окружающего пространства внутрь гелиосферы попадают не только большие «гости» — кометы и астероиды, но и частицы межзвездного вещества, а также более крупные частицы межзвездной пыли, размерами от нескольких нанометров до нескольких микрометров (10-9 – 10-6 м). Такая пыль заряжена положительно и, таким образом, на неё действуют электромагнитные поля гелиосферного ударного слоя. Они определяют, может ли пыль проникнуть внутрь гелиосферы и где именно она окажется потом. А значит, наблюдая пыль внутри Солнечной системы, можно судить о том, что происходит на её границах.
Интерес к межзвездной пыли связан с тем, что она очень важна для многих физических процессов, имеющих непосредственное отношение к происхождению планет и, возможно, зарождению жизни.
Межзвездную пыль в Солнечной системе регистрировал, например, космический аппарат «Улисс» (Ulysses, ESA, NASA). Он работал на необычной орбите, которая выходила очень далеко за пределы плоскости эклиптики и частично пролегала вблизи орбиты Юпитера на расстоянии около 5 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. За 16 лет работы «Улисс» зарегистрировал 6719 пылевых частиц, из которых около 600 принадлежали межзвездной среде. На основе этих данных ученые предпринимали попытки понять, как распределена межзвездная пыль в Солнечной системе, построив соответствующие модели ее прохождения через гелиосферный ударный слой, но полностью воспроизвести данные «Улисса» не получалось, поскольку в моделях не учитывалась динамика этого слоя. Она зависит, в частности, от 22-летнего солнечного цикла и 25-дневного цикла обращения Солнца вокруг своей оси.
В новой кинетической модели, построенной в работе Егора Годенко и Владислава Измоденова, сотрудников лаборатории межпланетной среды отдела физики планет ИКИ РАН, впервые одновременно учитываются и эффекты гелиосферного ударного слоя (гравитационное притяжение к Солнцу, радиационное давление солнечных фотонов и электромагнитные силы), и изменчивость гелиосферного магнитного поля, то есть магнитных полей внутри Солнечной системы. Предполагается, что частицы пыли разных размеров (от 150 до 500 нанометров и более) состоят из силикатов.
Далее исследователи проанализировали, как в этой модели происходит проникновение частиц межзвездной пыли на близкие к Солнцу расстояния, и сравнили полученные результаты с ситуацией, когда влияние гелиосферного ударного слоя не учитывалось.
Обнаружился неожиданный эффект: оказалось, что гелиосферный ударный слой способствует проникновению мелких пылинок с радиусом 150–250 нм на малые расстояния от Солнца, от 1 до 5 а.е. Ранее интуитивно предполагали, что он, напротив, препятствует проникновению мелкой пыли, являясь своеобразным «фильтром».
В то же время на крупные пылинки с радиусами более 500 нм влияние гелиосферного ударного слоя минимально. Они проходят через границы гелиосферы практически беспрепятственно, и разницы между двумя моделированными ситуациями почти нет.
Далее, используя модель, исследователи восстановили распределение межзвездной пыли в 2004–2005 гг. в плоскости, проходящей через центр Солнечной системы, которая очень близка к орбите «Улисса». Вновь моделировались две ситуации: с влиянием параметров гелиосферного ударного слоя и без него. В итоге получаются две «картинки», на которых цветом показана концентрация межзвездной пыли, и эти картинки для двух моделей существенно различаются.
Если нанести на обе картинки траекторию «Улисса», то видно, что она пролегает через область повышенной концентрации межзвездной пыли для модели с учетом влияния гелиосферного ударного слоя (в другой модели в этой области межзвездной пыли гораздо меньше). И действительно, именно в это время аппарат зарегистрировал повышенное число межзвездной пыли.
Это не только доказательство в пользу влияния гелиосферного ударного слоя, но и прямое свидетельство тому, что по свойствам межзвездной пыли в ближайших окрестностях Земли можно судить о том, что происходит на «дальних рубежах» Солнечной системы и даже в межзвездной среде — на расстояниях более 120–150 а.е.
Статья E. A. Godenko and V. V. Izmodenov «The unexpected role of heliospheric boundaries in facilitating interstellar dust penetration at 1–5AU» опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics, 687, L4 (2024). Она включена в цикл статей Егора Годенко «Особенности распределения межзвездной пыли в гелиосфере», который стал победителем в конкурсе научных работ ИКИ РАН 2023/2024 г. в номинации «Лучшая работа, выполненная молодыми учеными».
Дополнительная информация
- The unexpected role of heliospheric boundaries in facilitating interstellar dust penetration at 1–5 AU
E. A. Godenko, V. V. Izmodenov
A&A 687 L4 (2024) - Е. А. Годенко. Особенности распределения межзвездной пыли в гелиосфере. Цикл статей. Заявка на участие в конкурсе научных работ ИКИ РАН (.pdf)