Чому захисний міхур Сонячної системи має таку дивну форму?

Астрофізики зробили проривне відкриття в нашому розумінні космічних сил, які формують захисний міхур, що оточує нашу Сонячну систему — міхур, який укриває життя на Землі, та відомий дослідникам космосу як геліосфера.

Дослідження було проведене командою з кількох інститутів зі штаб-квартирою в Бостонському університеті (BU) на чолі з астрофізиком BU Меравою Офер, розповідають в BU.

Астрофізики вважають, що геліосфера захищає планети в нашій Сонячній системі від потужного випромінювання, яке виходить від наднових — останніх вибухів зірок при їх смерті по всьому Всесвіту. Вони вважають, що геліосфера поширюється далеко за межі нашої Сонячної системи, але, попри величезний буфер проти космічної радіації, який геліосфера забезпечує земним формам життя, ніхто насправді не знає форму геліосфери — чи, якщо на те пішло, її розмір.

«Яке це має значення для суспільства? Міхур, який оточує нас, створений Сонцем, забезпечує захист від галактичних космічних променів, та його форма може вплинути на те, як ці промені потрапляють всередину геліосфери», — говорить Джеймс Дрейк, астрофізик з Університету Мериленду, який співпрацює з Офер. «Є багато теорій, але, звісно, тоді яким чином може вплинути структура геліосфери на те, як проникають галактичні космічні промені, — чи є на ній зморшки, складки тощо?»

Команда Офер створила одні з найпереконливіших комп’ютерних симуляцій геліосфери на основі моделей, побудованих на спостережуваних даних і теоретичній астрофізиці. В Центрі космічної фізики BU, Офер, професорка астрономії Коледжу мистецтв і наук, очолює науковий центр NASA "DRIVE" (Різноманітність, усвідомлення, інтеграція, венчурність, освіта), який фінансується NASA на 1,3 мільйона доларів. Ця команда, що складається з експертів, яких Офер набрала з 11 інших університетів і науково-дослідних інститутів, розробляє прогнозні моделі геліосфери в рамках зусиль, які команда називає "SHIELD" (Сонячний вітер з іонним обміном водню та великомасштабною динамікою).

Відтоді, як науковий центр Бостонського університету для НАСА DRIVE вперше отримав фінансування у 2019 році, команда Офер SHIELD шукає відповіді на кілька бентежних питань: яка загальна структура геліосфери? Як її іонізовані частинки еволюціонують і впливають на геліосферні процеси? Як геліосфера взаємодіє та впливає на міжзоряне середовище, матерію та випромінювання, які існують між зорями? Та як космічні промені фільтруються геліосферою або транспортуються крізь неї?

«SHIELD поєднує теорію, моделювання та спостереження для побудови комплексних моделей», – каже Офер. «Всі ці різні компоненти працюють разом, щоб допомогти зрозуміти загадки геліосфери».

І тепер в статті, опублікованій Офер та її співробітниками в Astrophysical Journal, показано, що нейтральні частинки водню, що надходять з-за меж нашої Сонячної системи, швидше за все, відіграють вирішальну роль у формуванні нашої геліосфери.

У своєму останньому дослідженні команда Офер хотіла зрозуміти, чому геліосферні струмені — квітучі стовпи енергії та матерії, подібні до інших типів космічних струменів, що зустрічаються по всьому Всесвіту, — стають нестабільними. «Чому зорі та чорні діри — та наше власне Сонце — викидають нестабільні струмені?» — каже Офер. «Ми бачимо, що ці струмені виступають у вигляді неправильних стовпів, і [астрофізики] роками дивуються, чому ці форми є нестабільними».

Credit: Merav Opher, et. al

Аналогічно, моделі SHIELD передбачають, що геліосфера, яка рухається в тандемі з нашим Сонцем та охоплює Сонячну систему, не виглядає стабільною. Інші моделі геліосфери, розроблені іншими астрофізиками, мають тенденцію зображати геліосферу у формі комети, за якою простягається струмінь, або “хвіст”. На відміну від цього, модель Офер припускає, що геліосфера більше нагадує круасан або навіть пончик.

Причина цього? Нейтральні частинки водню, так звані тому, що вони мають однакову кількість позитивного та негативного заряду — в цілому не мають заряду взагалі.

«Вони потоком проходять крізь Сонячну систему», — каже Офер. Використовуючи обчислювальну модель, як рецепт для перевірки впливу “нейтралів” на форму геліосфери, вона «прибрала з торта один інгредієнт — нейтрали — і помітила, що струмені, що надходять від Сонця й формують геліосферу, стають суперстабільними. Коли я вставляю їх назад, все починає згинатися, центральна вісь починає коливатися, а це означає, що щось всередині геліосферних струменів стає дуже нестабільним».

Така нестабільність теоретично могла б призвести до порушення сонячних вітрів і струменів, що виходять від Сонця, що призвело б до зміни форми геліосфери — у форму, схожу на круасан. Хоча астрофізики ще не розробили способів спостереження за фактичною формою геліосфери, модель Офер припускає, що наявність нейтралів, які вдаряються в Сонячну систему, не дозволяють геліосфері текти рівномірно, як кометі. І одне можна сказати напевно — нейтрали безперечно пробивають свій шлях крізь космос.

Дрейк, співавтор нового дослідження, каже, що модель Офер «пропонує перше чітке пояснення того, чому форма геліосфери розпадається в північній та південній областях, що може вплинути на наше розуміння того, як галактичні космічні промені потрапляють на Землю та середовище поряд». Це може мати вплив на загрозу, яку радіація створює для життя на Землі, а також для астронавтів у космосі або майбутніх першопрохідців, які намагаються здійснити подорож на Марс чи інші планети.

«Всесвіт не спокійний», — каже Офер. «Наша BU-модель не намагається виключити хаос, що дозволило мені точно визначити причину [нестабільності геліосфери]… Це нейтральні частинки водню».

Зокрема, наявність нейтралів, що стикаються з геліосферою, викликає добре відоме фізикам явище, яке називається нестабільністю Релея-Тейлора, яке виникає при зіткненні матеріалів різної щільності, коли легший матеріал тисне на важчий. Це те, що відбувається, коли нафта підвішується над водою, і коли важчі рідини або матеріали підвищуються над легшими рідинами. Гравітація відіграє певну роль і породжує деякі надзвичайно неправильні форми. У випадку космічних струменів опір між нейтральними частинками водню та зарядженими іонами створює ефект, подібний до гравітації. Наприклад, “пальці”, які спостерігаються у знаменитій туманності Кінська голова, викликані нестабільністю Релея-Тейлора.

«Це відкриття є дійсно великим проривом, воно дійсно скерувало нас до того, чому в нашій моделі геліосфера має чітку форму круасана, а інші моделі — ні», — сказала Офер.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.