Прежде чем рассказывать о границе гелиосферы, надо в первую очередь объяснить, что такое гелиосфера, тем более что очень часто путают границу гелиосферы и границу Солнечной системы. Например, в новостях иногда можно услышать, что «Вояджеры» пересекли границу Солнечной системы, что не является правильным: никаких границ Солнечной системы «Вояджеры» не пересекали. Солнечная система — это тела, которые под действием силы тяжести Солнца вращаются вокруг него и притянуты к нему под действием гравитации, например: солнечные планеты, пояс астероидов и самые дальние объекты, которые движутся по околосолнечным орбитам, и все это — пояс Оорта. Объекты в поясе Оорта находятся очень далеко, на расстоянии от 5 до 100 000 астрономических единиц (астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца). На расстоянии примерно 100 000 а. е. объект уже практически не будет притягиваться к Солнцу.

Мы будем говорить совсем о другом явлении ― о гелиосфере. Гелиосфера — это то, что заполнено солнечным ветром. Солнечный ветер — это плазма, истекающая из Солнца. У Солнца, как вы знаете, есть солнечная корона, и она очень горячая: температура в ней достигает миллиона градусов. Поэтому из нее вытекают частички с большими скоростями ― с такими, которых достаточно, чтобы преодолеть солнечную гравитацию. Именно эти частички образуют собой солнечный ветер.

В конце 1950-х годов американский астрофизик Паркер построил математическую гидродинамическую модель солнечного ветра. Она показывала, что солнечный ветер ускоряется и его скорость выходит на некое постоянное значение, причем это значение сверхзвуковое. Например, на орбите Земли, на расстоянии 1 а. е., солнечный ветер достигает скоростей порядка 400–700 км/с, то есть очень больших скоростей. Число Маха там уже порядка десяти — это гиперзвуковой поток.

Через несколько лет после теоретической модели Паркера группа Грингауза (из Института космических исследований) экспериментально открыла солнечный ветер с помощью советских космических аппаратов «Луна», «Луна-1» и «Луна-2». Было доказано, что теория Паркера верна, что солнечный ветер существует. Хотя надо сказать, что гипотезы про солнечный ветер были и до этого, например, в связи с отклонением хвостов комет. У комет, как известно, все хвосты отклонены в одну сторону. Это объясняли тем, что из Солнца вытекает некий газ, который отклоняет хвосты комет. Но математическую модель построил Паркер, и это было фактически доказано после первых измерений на космических аппаратах.

Но возникает противоречие: модель Паркера говорит, что солнечный ветер выходит на постоянную скорость и распространяется на ней до бесконечности. Но мы знаем, что наша Солнечная система находится в межзвездной среде, и в настоящее время благодаря различным наблюдениям про межзвездную среду стало известно достаточно много. Солнце находится на краю одного из спиральных рукавов Галактики, достаточно удаленно от центра Галактики. Но для исследования границы гелиосферы важно не это ― важна структура межзвездной среды в окрестности Солнца на расстоянии нескольких парсеков. На этом расстоянии структура хорошо известна — мы находимся в одном из так называемых локальных межзвездных облаков.

Облако, в котором мы находимся, так и называется — Локальное межзвездное облако. Это частично ионизованное облако с концентрацией, с числом частиц в этом облаке порядка 0,1–0,3 частички в кубическом сантиметре, то есть это достаточно разреженная среда. Если говорить с точки зрения Земли, то это вакуум, причем недостижимый. Но на больших расстояниях все определено: известны концентрации и температура межзвездного облака — порядка 5000–10000 кельвинов.

Этих облаков несколько, их окружает так называемый межзвездный пузырь. Происхождение межзвездного пузыря точно неизвестно, но, по-видимому, это остаток взрыва какой-то сверхновой. Наши локальные облака находятся в еще более разреженном и горячем межзвездном пузыре. Солнце находится на краю межзвездного облака, и через 3000 лет оно выйдет из него. Существует вопрос: либо оно попадет в горячую плазму локального пузыря, либо попадет в соседнее облако, так называемое G-облако, которое по свойствам примерно такое же, чуть-чуть отличается от нашего. Как и Солнце, наша Солнечная система движется относительно межзвездного облака со скоростью примерно 25 км/с. Если посчитать, это тоже сверхзвуковое движение.

Теперь вопрос о том, где находится гелиосфера, какой размер гелиосферы и где кончается солнечный ветер (а гелиосфера — это область, занимаемая солнечным ветром), надо переформулировать: как солнечный ветер взаимодействует с межзвездной средой? Тут возникает чисто газодинамическая задача о взаимодействии двух сверхзвуковых потоков. То есть солнечный ветер — это расширяющийся сверхзвуковой поток, который взаимодействует с набегающим сверхзвуковым потоком межзвездной среды. Понятно, что если скорости той и другой среды достаточно большие, то смешения не происходит, и появляется граница, которая отделяет солнечный ветер от межзвездной среды. Эта граница называется гелиопаузой. Для других звезд такие границы тоже существуют, и они называются астропаузами. С газодинамической точки зрения это контактный разрыв, который разделяет солнечный ветер и межзвездную среду. Гелиопауза — это и есть, строго говоря, граница гелиосферы. Забегая вперед, можно сказать, что «Вояджер-1» в 2012 году пересек эту гелиопаузу и первый раз в истории человечества что-то рукотворное вышло за границу гелиосферы в межзвездную среду.

Так как гелиопаузу можно представить как некое препятствие, которое снаружи обтекает межзвездный газ, а изнутри — солнечный ветер, то ее можно мысленно заменить твердой стенкой и рассмотреть задачу об обтекании какого-то тела сверхзвуковым потоком — полная аналогия того, как самолет движется со сверхзвуковой скоростью. Известно, что если какое-то тело движется со сверхзвуковой скоростью, то возникает ударная волна. Так и перед гелиопаузой: при обтекании с внешней стороны в межзвездной среде возникает ударная волна. Она называется головной ударной волной, и солнечный ветер изнутри тоже обтекает это препятствие, и в нем тоже возникает ударная волна — она называется гелиосферная ударная волна.

Теория контактной поверхности, которая разделяет солнечный ветер и межзвездную среду, и двух ударных волн впервые была построена в 1970 году, то есть очень давно, тремя советскими учеными — Барановым, Краснобаевым и Куликовским, работавшими в Московском университете. Они посчитали форму гелиопаузы, а также распределение плазмы между ударными волнами (эта область называется гелиосферный ударный слой). Это была первая аналитическая модель, она стала основной. Она усовершенствовалась, туда добавлялись различные физические эффекты, убирались некие предположения, но общая структура сохранилась, и в нее входят внутренняя ударная волна (по-английски termination shock, или, по-русски, гелиосферная ударная волна), гелиопауза (это контактная поверхность, граница гелиосферы) и внешняя ударная волна.

Рекомендуем по этой теме:
76403
5 мифов о Солнце

В 1970 году были сомнения и споры по поводу существования внутренней ударной волны. Но в 2004-м «Вояджер-1» пересек гелиосферную ударную волну, а в 2007-м ее пересек «Вояджер-2». Она находится на расстоянии порядка 90 а. е., то есть в 90 раз дальше, чем расстояние от Солнца до Земли. В 2012 году «Вояджер-1» пересек гелиопаузу на расстоянии в 122 а. е. — это оказалось гораздо ближе, чем предсказывала вся теория. Почему гелиопауза находится так близко и какие физические процессы приводят к такому положению — это до сих пор является загадкой и предметом для активных исследований. Сейчас область исследования внешней границы гелиосферы очень активна. В ближайшие несколько лет наша задача — понять, почему «Вояджер» пересек, что он сейчас мерит, когда «Вояджер-2» пересечет гелиопаузу. Планируются также будущие эксперименты, которые дадут нам ответ на вопрос уже о трехмерной структуре границы гелиосферы.