Иллюстрация, изображающая один из космических кораблей-близнецов НАСА "Вояджер". Оба "Вояджера" вошли в межзвездное пространство или пространство за пределами гелиосферы нашего Солнца. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Пока космический аппарат НАСА «Вояджер-1» исследует межзвездное пространство, его измерения плотности производят фурор
В редком скоплении атомов, заполняющем межзвездное пространство, «Вояджер-1» измерил продолжительную серию волн, в то время как ранее он обнаруживал только спорадические вспышки.
До недавнего времени все космические аппараты в истории производили все свои измерения внутри нашей гелиосферы, магнитного пузыря, надутого нашим Солнцем. Но 25 августа 2012 г. НАСА"Вояджер-1" изменил это. Когда он пересек границу гелиосферы, он стал первым рукотворным объектом, вошедшим в межзвездное пространство и измерившим его. Сейчас, спустя восемь лет межзвездного путешествия, внимательное изучение данных "Вояджера-1" позволяет по-новому взглянуть на то, на что похожа эта граница.
Если наша гелиосфера — это корабль, плывущий по межзвездным водам, то «Вояджер-1» — это спасательный плот, только что сброшенный с палубы, чтобы исследовать течения. На данный момент любые бурные воды, которые он чувствует, в основном связаны с нашей гелиосферой. Но дальше он почувствует движения из более глубоких источников космоса. В конце концов, присутствие нашей гелиосферы полностью исчезнет из ее измерений.
На этом графике от октября 20218 года показано положение зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» относительно гелиосферы — защитного пузыря, созданного Солнцем, который простирается далеко за пределы орбиты Плутона. «Вояджер-1» пересек гелиопаузу, или край гелиосферы, в 2012 году. «Вояджер-2» все еще находится в гелиооболочке, или самой внешней части гелиосферы. (НАСА Космический корабль "Вояджер-2" вышел в межзвездное пространство в ноябре 2018 года..) Кредиты: NASA/JPL-Caltech
«У нас есть некоторые идеи о том, как далеко «Вояджеру» нужно будет зайти, чтобы начать видеть более чистые межзвездные воды, так сказать», — сказала Стелла Окер, доктор философии. студент Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, и новый член команды «Вояджера». «Но мы не совсем уверены, когда достигнем этой точки».
Новое исследование Окера, опубликованное в понедельник в Астрономия природы, сообщает о том, что может быть первым непрерывным измерением плотности материала в межзвездном пространстве. «Это обнаружение предлагает нам новый способ измерения плотности межзвездного пространства и открывает для нас новый путь для изучения структуры очень близкой межзвездной среды», — сказал Окер.
Космический корабль НАСА «Вояджер-1» запечатлел эти звуки межзвездного пространства. "Вояджер-1" плазма волновой прибор зафиксировал колебания плотной межзвездной плазмы или ионизированного газа с октября по ноябрь 2012 года и с апреля по май 2013 года. Фото: НАСА/JPL-Калтех
Когда кто-то представляет вещество между звездами — астрономы называют его «межзвездной средой», раскинувшимся супом из частиц и излучения — можно представить себе спокойную, тихую, безмятежную среду. Это было бы ошибкой.
«Я использовал фразу «неподвижная межзвездная среда», но вы можете найти много мест, которые не особенно неподвижны», — сказал Джим Кордес, космический физик из Корнелла и соавтор статьи.
Подобно океану, межзвездная среда полна бурных волн. Самые большие возникают из-за вращения нашей галактики, когда пространство размазывается само по себе и образует волны диаметром в десятки световых лет. Меньшие (но все же гигантские) волны устремляются от взрывов сверхновых, простираясь на миллиарды миль от гребня до гребня. Самая маленькая рябь обычно исходит от нашего собственного Солнца, поскольку солнечные извержения посылают в космос ударные волны, которые проникают в оболочку нашей гелиосферы.
Эти разбивающиеся волны дают подсказки о плотности межзвездной среды — величине, которая влияет на наше понимание формы нашей гелиосферы, того, как формируются звезды, и даже нашего собственного местоположения в галактике. Когда эти волны распространяются в пространстве, они вызывают вибрацию электронов вокруг себя, которые звучат с характерными частотами в зависимости от того, насколько они стиснуты вместе. Чем выше тон этого звона, тем выше плотность электронов. Подсистема плазменных волн «Вояджера-1», которая включает в себя две антенны типа «кроличьи уши», торчащие на 30 футов (10 метров) позади космического корабля, была разработана для того, чтобы слышать этот звон.
Иллюстрация космического корабля НАСА "Вояджер", показывающая антенны, используемые подсистемой плазменных волн и другими инструментами. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
В ноябре 2012 года, через три месяца после выхода из гелиосферы, «Вояджер-1» впервые услышал межзвездные звуки (см. видео выше). Через полгода появился еще один «свист», на этот раз громче и еще выше. Межзвездная среда, казалось, становилась все толще, и быстро.
Эти мгновенные свистки продолжаются через неравные промежутки времени в данных "Вояджера" и сегодня. Это отличный способ изучить плотность межзвездной среды, но это требует некоторого терпения.
«Их видели только раз в год, поэтому полагаться на такие случайные события означало, что наша карта плотности межзвездного пространства была довольно разреженной», — сказал Окер.
Окер решил найти текущую меру плотности межзвездной среды, чтобы заполнить пробелы, которая не зависит от случайных ударных волн, распространяющихся от Солнца. После фильтрации данных «Вояджера-1» в поисках слабых, но последовательных сигналов она нашла многообещающего кандидата. Он начал набирать обороты в середине 2017 года, как раз во время очередного свистка.
«Это практически один тон, — сказал Окер. «И со временем мы слышим, как она меняется, но то, как меняется частота, говорит нам, как меняется плотность».
Слабые, но почти непрерывные события плазменных колебаний, видимые тонкой красной линией на этом графике/tk, соединяют более сильные события в данных подсистемы плазменных волн "Вояджера-1". Изображение чередуется между графиками, показывающими только сильные сигналы (синий фон), и отфильтрованными данными, показывающими более слабые сигналы. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/Stella Ocker.
Окер называет новый сигнал излучением плазменной волны, и он тоже, по-видимому, отслеживает плотность межзвездного пространства. При появлении в данных резких свистов тон излучения повышается и понижается вместе с ними. Сигнал также напоминает сигнал, наблюдаемый в верхних слоях атмосферы Земли, который, как известно, отслеживает плотность электронов там.
«Это действительно захватывающе, потому что мы можем регулярно измерять плотность на очень длинном участке пространства, самом длинном участке космоса, который у нас есть», — сказал Окер. «Это дает нам наиболее полную карту плотности и межзвездной среды, которую видит «Вояджер»».
Судя по сигналу, плотность электронов вокруг "Вояджера-1" начала расти в 2013 году и достигла нынешнего уровня примерно в середине 2015 года, то есть плотность увеличилась примерно в 40 раз. Космический корабль, по-видимому, находится в аналогичном диапазоне плотности с некоторыми колебаниями на протяжении всего проанализированного ими набора данных, который закончился в начале 2020 года.
Окер и ее коллеги в настоящее время пытаются разработать физическую модель того, как возникает излучение плазменных волн, которое станет ключом к его интерпретации. Тем временем подсистема плазменных волн «Вояджера-1» продолжает отправлять данные все дальше и дальше от дома, где каждое новое открытие может заставить нас переосмыслить наш дом в космосе.
Чтобы узнать больше об этом исследовании, прочитайте В пустоте космоса на расстоянии 14 миллиардов миль «Вояджер-XNUMX» обнаруживает «гул» от плазменных волн.
Ссылка: «Постоянные плазменные волны в межзвездном пространстве, обнаруженные «Вояджером-1»» Стеллы Кох Окер, Джеймса М. Кордеса, Шами Чаттерджи, Дональда А. Гернетта, Уильяма С. Курта и Стивена Р. Спенглера, 10 мая 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038/s41550-021-01363-7
