Дело в том, что наша Солнечная система находится в локальном межзвездном облаке, а это облако является частично ионизованным, то есть состоит из заряженных частиц — электронов и протонов, но также из межзвездных атомов. И если заряженные частицы межзвездной среды взаимодействуют с солнечным ветром, образуя границу гелиосферы, гелиопаузу, гелиосферную ударную волну и так далее, то межзвездные атомы могут свободно проникать сквозь всю эту структуру, потому что длина их свободного пробега (среднее расстояние частиц между столкновениями) оказывается либо больше, либо сопоставима с размерами гелиосферы. Хотя бы часть этих межзвездных атомов может проникать на расстояния, близкие к Солнцу, на орбиту Земли и там так или иначе измеряться. Тот факт, что длина свободного пробега очень большая, открывает нам целое окно в мир межзвездной среды, и мы можем, измеряя параметры атомов на орбите Земли, узнавать свойства межзвездной среды, не достигая ее, не вылетая на нее на каких-то космических аппаратах.
Самое главное открытие было сделано на космическом аппарате «Улисс», а потом подтверждено недавно на космическом аппарате IBEX: были проведены прямые измерения межзвездных атомов гелия. Длина свободного пробега атомов гелия намного больше, чем размер гелиосферы, — порядка 1000 астрономических единиц, а размер гелиосферы — порядка 100–150 астрономических единиц, то есть они проникают свободно внутрь гелиосферы, и их свойства как газа, то есть в среднем свойства газа из этих нейтральных атомов гелия — они просто такие, как в межзвездной среде. Измеряя свойства гелия, удалось установить, что температура локального межзвездного облака, где мы находимся, порядка 7000 кельвинов, а скорость относительного движения — 26,4 км/с. Эти параметры удалось установить очень хорошо, и это очень большое достижение приборов.
Была интересная история: IBEX вначале померил параметры того же гелия, которые отличались от тех, что получил «Улисс», и был целый шум, пресс-конференция о том, что параметры межзвездной среды меняются, и много спекуляций на этот счет. Оказалось, что это просто ошибка в интерпретации. Когда все подчистили, выяснилось, что параметры на двух аппаратах очень хорошо совпадают, и это очень здорово: значит, мы знаем параметры межзвездной среды. Межзвездные атомы водорода были впервые измерены на космическом аппарате IBEX, который был запущен в 2009 году. Дальше происходил очень долгий и сложный анализ данных, которые были получены IBEX, и где-то в 2015-м или, может быть, в 2016 году были определены параметры межзвездного водорода. Надо сказать, что они были определены с достаточно большой ошибкой, но тем не менее впервые было проведено измерение атомов межзвездного водорода и кислорода.
Но на самом деле информацию о межзвездном водороде мы знаем очень давно и хорошо, потому что у нас есть Солнце, которое светит в том числе и в линии Лайман-альфа — это резонансные линии для атомов водорода. Межзвездный атом водорода, когда он внутри гелиосферы, может рассеять фотон линии Лайман-альфа на длине волны 1216 ангстрем. Уже рассеянные фотоны измеряются начиная с 1970-х годов — это так называемое солнечное рассеянное Лайман-альфа излучение. Изучая его свойства, можно говорить о том, какие свойства у атомов водорода внутри гелиосферы.
Существует множество космических аппаратов, самый интересный и подробный эксперимент из них был проведен на аппарате SOHO (прибор SWAN): анализируя спектр рассеянного Лайман-альфа излучения, мы имеем примерное представление о том, каковы свойства межзвездных атомов внутри гелиосферы. Оказывается, что эти свойства сильно отличаются от атомов гелия. Скорость у атомов водорода не 26, а 20 км/с, то есть они являются заторможенными, а температура их выше. Оказалось, что длина свободного пробега межзвездных атомов водорода все-таки похожего порядка. Они проникают внутрь гелиосферы, но часть из них взаимодействует с протонами в этой области взаимодействия солнечного ветра и межзвездной среды — в гелиосферном ударном слое. Там происходит перезарядка: электрон перескакивает с атома на протон, и образуется новый атом, так называемый вторичный атом, который тоже может проникать близко к Солнцу и тоже может измеряться.
Мы мерим такую смесь первичных и вторичных атомов водорода, и из-за наличия вторичных атомов водорода свойства водородного газа на орбите Земли отличаются от свойств гелия. Это открывает нам целое окно в исследовании гелиосферного ударного слоя: раз возмущение параметров происходит в гелиосферном ударном слое, то, строя модель, анализируя, как же это возмущение происходит и к чему оно приводит в рассеянном Лайман-альфа излучении, мы можем изучать свойства этой границы — границы гелиосферы, куда сейчас долетели «Вояджеры». Этим на протяжении последних 15 лет занимается несколько групп, в том числе и наша.
В результате перезарядки образуется так называемая водородная стенка, то есть концентрация межзвездных атомов в окрестности гелиопаузы возрастает. Можно сказать, что вокруг гелиопаузы существует такая водородная стеночка, свойства газа в которой отличаются от свойств межзвездного. Это было удивительно, когда в 1996 году теоретики встретились с экспериментаторами, которые тоже мерят линии Лайман-альфа, но уже от других звезд. Оказалось, что эта теоретически предсказанная водородная стенка видна в спектрах поглощения Лайман-альфа от других звезд. При исследовании спектра поглощения от разных звезд, оказывается, можно построить целую картину того, как распределен газ на этих границах гелиосфер. Это открывает нам возможность удаленно изучать гелиосферу ― границу гелиосферы, помимо «Вояджеров», можно изучать с одной астрономической единицы. Более того, открытие этой водородной стенки способствовало возникновению целой области в астрофизике, потому что оказалось, что они существуют вокруг множества других звезд солнечного типа, а по их свойствам мы можем судить о свойствах звездных ветров. То есть открытие водородной стенки привело к открытию целой области науки — исследованию астросфер.
Надо немного пояснить, что такое спектры поглощения. Когда звезда светит, в линии Лайман-альфа у нее есть какой-то спектр. Когда фотоны проходят через нейтральный газ, часть этих фотонов поглощается — это и есть спектр поглощения. Он зависит от свойств газа, которым поглощается. Если свойства водородной стенки отличаются от свойств газа в межзвездной среде, мы видим это отдельное поглощение, которое можно интерпретировать, а потом давать свойства газа. Вообще говоря, из того, что у нас достаточно много экспериментов («Хаббл» наблюдает много разных спектров поглощения), уже можно, например, изучать зависимость звездных ветров звезд солнечного типа от времени. Фактически это дает нам информацию о том, как солнечный ветер менялся со временем. А влияние солнечного ветра на атмосферы планет (например, почему нет атмосферы на Марсе) — это очень важно. Это может привести нас к пониманию того, почему атмосферы наших звездных планет имеют такое состояние, какие имеют сейчас, то есть мы сможем изучать историю погоды в нашей Солнечной системе. Такая странная связь, но так развивается наука.
Заключая, хочу сказать, что информация о межзвездных атомах, которая собирается с орбиты Земли, бесценна, дает нам много дополнительной информации и отлично дополняет данные, которые собирает «Вояджер» уже сейчас в межзвездной среде.
