Ученые объяснили, почему мы все живем в огромном круассане

Почему гелиосфера Солнечной системы принимает форму выпечки?

Солнечная система существует в пузыре: плазма солнечного ветра сталкивается с межзвездной средой, создавая как бы оболочку, защищающую объекты внутри нее от мощного космического излучения. Этот пузырь называется гелиосферой. Понимание ее устройства даст ответы на многие вопросы о Солнечной системе, включая вопрос о возможности существования жизни.

«Окружающий нас пузырь, созданный Солнцем, обеспечивает защиту от галактических космических лучей, и его форма может влиять на то, как эти лучи попадают в гелиосферу, — говорит астрофизик Джеймс Дрейк из Университета Мэриленда. — Есть много теорий, но, конечно, способ проникновения галактических космических лучей может зависеть от структуры гелиосферы — есть ли у нее морщины, складки и тому подобное?»

Поскольку мы находимся внутри гелиосферы, выяснить ее форму не так-то просто. Но это не невозможно. Зонды «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Новые горизонты» — это три космических корабля, которые побывали в дальних уголках Солнечной системы. «Вояджеры» даже пересекли границу гелиосферы и в настоящее время продвигаются через межзвездное пространство.

На основе данных этих зондов в прошлом году ученые определили, что гелиосфера может иметь форму странного космического круассана. Теперь они выяснили, что нейтральные частицы водорода, попадающие в Солнечную систему из межзвездного пространства, вероятно, играют решающую роль в формировании формы гелиосферы.

Команда приступила к исследованию гелиосферных джетов. Это двойные потоки вещества, исходящие из полюсов Солнца, сформированные взаимодействием магнитного поля Солнца с межзвездным магнитным полем. Однако вместо того, чтобы «выстреливать» прямо, они изгибаются, подталкиваемые межзвездным потоком, как острия круассана. Это хвосты Солнечной системы. Они похожи на другие астрофизические джеты, наблюдаемые в космосе, и, как и другие джеты, солнечные — нестабильны. И гелиосфера, сформированная Солнцем, тоже кажется нестабильной. Исследователи пытались узнать, почему так происходит.

«Мы видим, как эти джеты выступают в виде столбов неправильной формы, и [астрофизики] в течение многих лет задавались вопросом, почему эти формы представляют нестабильность», — объясняет астрофизик Мерав Офер из Бостонского университета, руководивший исследованием.

Команда провела вычислительное моделирование, сосредоточившись на нейтральных атомах водорода — тех, которые не несут заряд. Мы знаем, как эти потоки проходят через Вселенную, но не знаем, какое влияние они могут оказать на гелиосферу. Когда исследователи исключили нейтральные атомы из своей модели, солнечные джеты внезапно стали стабильными. Потом нейтральные атомы вернули обратно.

«Когда я вставляю их обратно, все начинает сгибаться, центральная ось начинает шевелиться, а это означает, что что-то внутри гелиосферных джетов становится очень нестабильным», — говорит Офер.

Согласно анализу команды, это происходит из-за взаимодействия нейтрального водорода с ионизированным веществом в гелиослое — внешней области гелиосферы. Это порождает нестабильность Рэлея — Тейлора. Такая нестабильность возникает на границе раздела двух жидкостей разной плотности, когда более легкая жидкость проталкивается в более тяжелую. В свою очередь, это вызывает крупномасштабную турбулентность в хвостах гелиосферы.

Это ясное и элегантное объяснение формы гелиосферы может иметь значение для нашего понимания того, как галактические космические лучи проникают в Солнечную систему. В свою очередь, это может помочь нам лучше понять радиационную среду Солнечной системы за пределами защитного магнитного поля и атмосферы Земли.

«Это открытие является большим прорывом, оно действительно направило нас к открытию того, почему наша модель получает свою отчетливую гелиосферу в форме круассана, а другие модели — нет», — говорит Офер.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal, кратко о нем сообщает Science Alert.