Дмитрий Вибе: Прочь из солнечной плазмы

В конце августа 2012 года на космическом аппарате "Вояджер-1" зафиксировано резкое повышение интенсивности галактических космических лучей. Ещё чуть-чуть, и он вырвется в межзвёздное пространство.

С позиций проникновения во Вселенную околоземное пространство уже давно перестало быть экзотикой, обзаведясь, среди прочего, и таким атрибутом освоенной территории, как изрядное количество мусора. Активно осваиваются и более далёкие области: заселяются космическими аппаратами окрестности точек Лагранжа и орбита Земли, наши зонды летают вокруг пяти (считая Землю) из восьми планет Солнечной системы. Это уже почти обыденность; ведь даже с того момента, когда земляне с близкого расстояния увидели самую далёкую планету, Нептун, прошло уже больше 20 лет.

Тогда, в 1970-е и 1980-е годы, тропинку во внешнюю Солнечную систему проторили четыре аппарата: "Пионер-10", "Пионер-11", "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Теперь переданные ими снимки планет-гигантов кажутся уже почти историей. Между тем "Вояджеры", отметив в 2012 году 35-летие пребывания в космическом пространстве, и по сей день продолжают работать и исправно поставляют информацию о дальней периферии Солнечной системы. "Пионер-10" и "Пионер-11" перестали отвечать на сигналы с Земли в 2003 (кстати, 23 января, ровнёхонько 10 лет назад) и 1995 гг.

Вояж "Вояджеров" начался в 1977 году. По иронии судьбы первым отправился в космос "Вояджер-2", а "Вояджер-1" полетел вторым, но время исправило эту несправедливость, и сейчас именно "Вояджер-1", обогнав собрата, является самым далёким рукотворным объектом: он удалился от Солнца почти на 125 астрономических единиц (а.е.), оставив далеко позади не только большие планеты Солнечной системы, но и значительную часть пояса Койпера.

Нынешний этап работы "Вояджеров" в NASA скромно называется "Межзвёздная миссия", а в новостях о них нет-нет да и проскальзывают утверждения, что они покинули пределы Солнечной системы. Но на самом деле, конечно, всё не так просто. Во-первых, границу Солнечной системы можно определять по-разному, во-вторых, при любом определении эта граница не будет полосатым шлагбаумом, за которым космический аппарат можно сразу считать межзвёздным скитальцем, в-третьих, она сама движется вперёд-назад, откликаясь на текущий уровень солнечной активности.

С учётом специфики аппаратуры, работающей сейчас на "Вояджерах", выходом за пределы Солнечной системы для них считается попадание в область, не затронутую воздействием солнечного ветра. Этот ветер - поток заряженных частиц, срывающихся с поверхности Солнца, выдувает вокруг "планетной" части Солнечной системы гигантский пузырь — гелиосферу. Гелиосфера вместе с Солнцем движется через окружающее межзвёздное облако, Местный Пух. Зона столкновения солнечного ветра и межзвёздной среды (МЗС) имеет слоистую структуру, в определение которой, кстати, внесли существенный вклад отечественные учёные (В.Б. Баранов и другие) и космические аппараты.

Со стороны Солнца первым рубежом на пути в межзвёздное пространство является гелиосферная ударная волна, где сверхзвуковое течение солнечного ветра начинает "чувствовать" приближение межзвёздного вещества и тормозится до дозвуковых скоростей. "Вояджер-1" пересёк геолиосферную ударную волну в 2003–2004 году на расстоянии 94 а.е. от Солнца, а "Вояджер-2" сделал это три года спустя, когда от него до Солнца было 84 а.е. Надо уточнить, что аппараты летят в одну и ту же полусферу: примерно против набегания межзвёздного вещества на Солнечную систему (первый находится в созвездии Змееносца, второй — в созвездии Телескопа). Тем не менее переход через ударную волну у "Вояджера-1" состоялся на большем расстоянии, из чего следует, что форма гелиосферы далека от сферической.

После этого началось томительное ожидание следующего рубежа — гелиопаузы, за которым солнечная плазма заканчивается и начинается межзвёздное вещество, ещё не в своём обычном состоянии, а смятое столкновением с гелиосферой, но всё-таки уже не наше вещество, а чужое, никогда не бывшее частью Солнечной системы. К сожалению, на "Вояджере-1" не работают приборы, способные определять параметры окружающего вещества непосредственно, поэтому приближение гелиопаузы приходится искать по косвенным признакам, в частности по изменению энергетического спектра космических лучей.

На орбите Земли космические лучи — ускоренные до очень высоких скоростей атомы различных химических элементов — складываются из трёх компонентов: солнечные, галактические и аномальные. Солнечные космические лучи рождаются, как нетрудно догадаться, на Солнце и, по сути, являются высокоэнергичным продолжением солнечного ветра. Галактические космические лучи (ГКЛ) рождаются вне Солнечной системы, вероятно, в ударных волнах при вспышках сверхновых (хотя хоть сколько-нибудь прямых доказательств этого пока нет). Аномальные космические лучи (АКЛ) были обнаружены в начале 1970-х годов как некоторый избыток частиц с энергиями порядка 10 Мэв, однако аномальность их относится, скорее, не к энергии, а к химическому составу: если химический состав ГКЛ мало отличается от солнечного, то в АКЛ наблюдается избыток гелия, кислорода, азота и некоторых других элементов. До пересечения "Вояджерами" гелиосферной ударной волны предполагалось, что АКЛ формируются из атомов, которые в МЗС пребывают в нейтральном состоянии, пройдя гелиопаузу, ионизуются, ускоряются до высоких скоростей на гелиосферной ударной волне и непосредственно в Солнечную систему влетают уже с приличными скоростями.

В соответствии с этим предположением ожидалось, что на ударной волне "Вояджеры" зафиксируют возрастание потока АКЛ, но этого не произошло: никаких резких изменений в интенсивности АКЛ аппараты тогда не увидели. Вероятно, их ускорение происходит не на самой ударной волне или не на всех её участках; тем не менее именно наличие аномальных космических лучей в этой области пространства остаётся последним (или предпоследним) признаком сохраняющегося влияния Солнца.

Указания на приближение гелиопаузы появились в данных "Вояджера-1" в 2009-2010 годах, когда его приборы отметили снижение скорости солнечного ветра практически до нуля и одновременное всё большее возрастание потока галактических космических лучей. Весной 2012 года "Вояджер-1" вошёл в область пространства, где изменения начали принимать беспрецедентный характер. Начиная с 8 мая на протяжении нескольких дней интенсивность ГКЛ удвоилась; ещё два резких скачка произошли 28 июля и 13 августа. В последних двух случаях одновременно снижалась и интенсивность АКЛ.

Но всё это были только признаки главного изменения: 25 августа 2012 года на расстоянии 121,7 а.е. от Солнца началось резкое падение интенсивности АКЛ, в результате которого она за несколько недель снизилась в 300-500 раз. Одновременно в разы выросла интенсивность ГКЛ. Очевидно, в конце августа "Вояджер-1" пересёк некий разрыв, за который частицы аномальных космических лучей заходить не могут. За месяц аппарат пролетает примерно 0,3 а.е., но разрыв, очевидно, тоньше. Не исключено, что он сам движется примерно со скоростью аппарата и предварительные скачки интенсивности космических лучей были связаны с тем, что "Вояджер" несколько раз касался разрыва, прежде чем окончательно пересечь его.

Хотя обнаруженный разрыв и похож на гелиопаузу, специалисты JPL NASA не спешат говорить о том, что аппарат окончательно вышел в МЗС. Об этом можно будет судить, когда "Вояджер-1" отлетит подальше, не встретив по пути никаких новых странностей, и когда полученные данные подтвердит "Вояджер-2". Пока же можно с удовлетворением думать о том, что в 2012 году у нас впервые появилась возможность непосредственно измерить один из важнейших параметров МЗС Галактики — спектр галактических космических лучей в области низких энергий. В окрестностях Земли это сделать невозможно, ибо тут он перепутан со спектром АКЛ. А знать его было бы весьма интересно даже такому далёкому от физики высоких энергий человеку, как мне: именно космические лучи являются главным инициирующим фактором в межзвёздной химии. При этом в расчётах мы до сих пор пользуемся параметрами, полученными в конце 1960-х годов по наблюдениям только ГКЛ высоких энергий (более 20 Мэв). Между тем для химии не менее важными могут оказаться и менее энергичные частицы, о которых мы до сих пор не знали ничего.