Почему защитный пузырь Солнечной системы имеет такую странную форму?

Астрофизики сделали прорывное открытие в нашем понимании космических сил, формирующих защитный пузырь, окружающий нашу Солнечную систему — пузырь, укрывающий жизнь на Земле, и известный исследователям космоса как гелиосфера.

Исследование было проведено командой из нескольких институтов со штаб-квартирой в Бостонском университете (BU) во главе с астрофизиком BU Меравой Офер, рассказывают в BU.

Астрофизики считают, что гелиосфера защищает планеты в нашей Солнечной системе от мощного излучения, исходящего от сверхновых — последних взрывов умирающих звезд по всей Вселенной. Они считают, что гелиосфера распространяется далеко за пределы нашей Солнечной системы, но, несмотря на огромный буфер против космической радиации, который гелиосфера обеспечивает земным формам жизни, никто не знает форму гелиосферы — или, если на то пошло, ее размер.

«Какое это имеет значение для общества? Окружающий нас пузырь, созданный Солнцем, обеспечивает защиту от галактических космических лучей, и его форма может повлиять на то, как эти лучи попадают внутрь гелиосферы», — говорит Джеймс Дрейк, астрофизик из Университета Мериленда, сотрудничающий с Офер. «Есть много теорий, но, конечно, тогда как может повлиять структура гелиосферы на то, как проникают галактические космические лучи, — есть ли на ней морщины, складки и тому подобное?»

Команда Офер создала одни из самых убедительных компьютерных симуляций гелиосферы на основе моделей, построенных на наблюдаемых данных и теоретической астрофизике. В Центре космической физики BU, Офер, профессор астрономии Колледжа искусств и наук, возглавляет научный центр NASA "DRIVE" (Разнообразие, осознание, интеграция, венчурность, образование), который финансируется NASA на 1,3 миллиона долларов. Эта команда состоит из экспертов, которых Офер набрала из 11 других университетов и научно-исследовательских институтов, разрабатывает прогнозные модели гелиосферы в рамках усилий, которые команда называет "SHIELD" (Солнечный ветер с ионным обменом водорода и крупномасштабной динамикой).

С тех пор, как научный центр Бостонского университета НАСА DRIVE впервые получил финансирование в 2019 году, команда Офер SHIELD ищет ответы на несколько мятежных вопросов: какова общая структура гелиосферы? Как ее ионизированные частицы эволюционируют и влияют на гелиосферные процессы? Как гелиосфера взаимодействует и влияет на межзвездную среду, материю и излучение, существующие между звездами? И как космические лучи фильтруются гелиосферой или транспортируются сквозь нее?

«SHIELD объединяет теорию, моделирование и наблюдения для построения комплексных моделей», - говорит Офер. «Все эти разные компоненты работают вместе, чтобы помочь понять загадки гелиосферы».

И теперь в статье, опубликованной Офер и ее сотрудниками в Astrophysical Journal, показано, что нейтральные частицы водорода, поступающие из-за пределов нашей Солнечной системы, скорее всего, играют решающую роль в формировании нашей гелиосферы.

В своем последнем исследовании команда Офер хотела понять, почему гелиосферные струи — расцветающие столбы энергии и материи, подобные другим типам космических струй, которые встречаются по всей Вселенной, становятся нестабильными. «Почему звезды и черные дыры – и наше собственное Солнце – выбрасывают нестабильные струи?» – говорит Офер. «Мы видим, что эти струи выступают в виде неправильных столбов, и [астрофизики] годами удивляются, почему эти формы нестабильны».

Credit: Merav Opher, et. al

Аналогично, модели SHIELD предполагают, что гелиосфера, которая движется в тандеме с нашим Солнцем и охватывает Солнечную систему, не выглядит стабильной. Другие модели гелиосферы, разработанные другими астрофизиками, имеют тенденцию изображать гелиосферу в форме кометы, за которой простирается струя, или "хвост". В отличие от этого, модель Офер предполагает, что гелиосфера больше напоминает круассан или даже пончик.

Причина этого? Нейтральные частицы водорода, так называемые потому, что у них одинаковое количество положительного и отрицательного заряда — в целом не имеют заряда вообще.

«Они потоком проходят сквозь Солнечную систему», - говорит Офер. Используя вычислительную модель, как рецепт для проверки воздействия "нейтралов" на форму гелиосферы, она «убрала из торта один ингредиент – нейтралы – и заметила, что поступающие от Солнца струи и формирующие гелиосферу становятся суперстабильными. Когда я вставляю их обратно, все начинает сгибаться, центральная ось начинает колебаться, а это значит, что что-то внутри гелиосферных струй становится очень нестабильным».

Такая нестабильность теоретически могла бы привести к нарушению солнечных ветров и струй, исходящих от Солнца, что привело бы к изменению формы гелиосферы — в форму, похожую на круассан. Хотя астрофизики еще не разработали способы наблюдения за фактической формой гелиосферы, модель Офер предполагает, что наличие нейтралов, которые ударяются в Солнечную систему, не позволяют гелиосфере течь равномерно, как комете. И одно можно сказать наверняка — нейтралы определенно пробивают свой путь через космос.

Дрейк, соавтор нового исследования, говорит, что модель Офер «предлагает первое четкое объяснение того, почему форма гелиосферы распадается в северной и южной областях, что может повлиять на наше понимание того, как галактические космические лучи попадают на Землю и рядом расположенную среду». Это может повлиять на угрозу, которую радиация создает для жизни на Земле, а также для астронавтов в космосе или будущих первопроходцев, пытающихся совершить путешествие на Марс или другие планеты.

«Вселенная не спокойна», — говорит Офер. «Наша BU-модель не пытается исключить хаос, что позволило мне точно определить причину [нестабильности гелиосферы]… Это нейтральные частицы водорода».

В частности, наличие нейтралов, соприкасающихся с гелиосферой, вызывает хорошо известное физикам явление, которое называется нестабильностью Релея-Тейлора, возникающее при столкновении материалов разной плотности, когда более легкий материал давит на более тяжелый. Это происходит, когда нефть подвешивается над водой, и когда более тяжелые жидкости или материалы повышаются над более легкими жидкостями. Гравитация играет определенную роль и рождает некоторые чрезвычайно неправильные формы. В случае космических струй сопротивление между нейтральными частицами водорода и заряженными ионами создает эффект, подобный гравитации. Например, "пальцы", наблюдаемые в знаменитой туманности Лошадиная голова, вызваны нестабильностью Рэлея-Тейлора.

«Это открытие является действительно большим прорывом, оно действительно направило нас к тому, почему в нашей модели гелиосфера имеет четкую форму круассана, а другие модели нет», — сказала Офер.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.