Ілюстрація, на якій зображено один із космічних кораблів-близнюків НАСА «Вояджер». Обидва «Вояджери» увійшли в міжзоряний простір або простір за межами геліосфери нашого Сонця. Авторство: NASA/JPL-Caltech
Коли NASA «Вояджер-1» досліджує міжзоряний простір, його вимірювання щільності викликають хвилі
У рідкісній колекції атомів, яка заповнює міжзоряний простір, «Вояджер-1» виміряв тривалу серію хвиль, де раніше він виявляв лише спорадичні спалахи.
До недавнього часу всі космічні кораблі в історії проводили всі вимірювання в нашій геліосфері, магнітній бульбашці, яку надуває наше Сонце. Але 25 серпня 2012 р. NASAВояджер-1 це змінив. Коли він перетнув межу геліосфери, він став першим створеним людиною об’єктом, який увійшов у міжзоряний простір і виміряв його. Через вісім років своєї міжзоряної подорожі уважне прослуховування даних «Вояджера-1» дає нові знання про те, якою є ця межа.
Якщо наша геліосфера — це корабель, який пливе міжзоряними водами, то «Вояджер-1» — це рятувальний пліт, щойно скинутий з палуби, який має намір оглянути течії. Наразі будь-яке бурхливе хвилювання, яке він відчуває, здебільшого походить від сліду нашої геліосфери. Але далі він відчує хвилювання з джерел глибше у космосі. Згодом присутність нашої геліосфери повністю зникне з її вимірювань.
Ця графіка за жовтень 20218 року показує положення зондів «Вояджер-1» і «Вояджер-2» відносно геліосфери, захисної бульбашки, створеної Сонцем, яка простягається далеко за орбіту Плутона. «Вояджер-1» перетнув геліопаузу, або межу геліосфери, у 2012 році. «Вояджер-2» все ще знаходиться в геліооболонці, або найвіддаленішій частині геліосфери. (НАСА Космічний корабель «Вояджер-2» вийшов у міжзоряний простір у листопаді 2018 року.) Авторство: NASA/JPL-Caltech
«У нас є певні уявлення про те, як далеко «Вояджеру» потрібно буде пройти, щоб почати бачити більш чисті міжзоряні води, так би мовити», — сказала Стелла Окер, доктор філософії. студент Корнельського університету в Ітаці, штат Нью-Йорк, і новий член команди «Вояджера». «Але ми не зовсім впевнені, коли досягнемо цього моменту».
Нове дослідження Окера, опубліковане в понеділок у Природа астрономії, повідомляє про те, що може бути першим безперервним вимірюванням щільності матеріалу в міжзоряному просторі. «Це виявлення пропонує нам новий спосіб вимірювання щільності міжзоряного простору та відкриває новий шлях для дослідження структури найближчого міжзоряного середовища», — сказав Окер.
Космічний корабель НАСА «Вояджер-1» зафіксував ці звуки міжзоряного простору. Вояджер-1 плазма Хвильовий прилад виявив коливання щільної міжзоряної плазми або іонізованого газу з жовтня по листопад 2012 року та з квітня по травень 2013 року. Авторство зображення: NASA/JPL-Калтех
Коли хтось уявляє речі між зірками – астрономи називають це «міжзоряним середовищем», розсипаним супом із частинок і випромінювання – можна заново уявити собі спокійне, тихе, безтурботне середовище. Це було б помилкою.
«Я використовував фразу «спокійне міжзоряне середовище», але ви можете знайти багато місць, які не є особливо спокійними», — сказав Джим Кордес, космічний фізик із Корнелла та співавтор статті.
Як і океан, міжзоряне середовище сповнене турбулентних хвиль. Найбільші походять від обертання нашої галактики, коли простір розмазується сам по собі та формує хвилі десятки світлових років у поперечнику. Менші (хоча все ще гігантські) хвилі несуться від вибухів наднових, тягнучись мільярди миль від вершини до вершини. Найменші хвилі зазвичай виникають від нашого Сонця, оскільки сонячні виверження посилають ударні хвилі через космос, які пронизують оболонку нашої геліосфери.
Ці розбиваючі хвилі розкривають підказки щодо щільності міжзоряного середовища – значення, яке впливає на наше розуміння форми нашої геліосфери, того, як утворюються зірки, і навіть нашого власного розташування в галактиці. Коли ці хвилі реверберують у просторі, вони вібрують електрони навколо них, які лунають на характерних частотах залежно від того, наскільки вони скупчені. Чим вище висота цього дзвінка, тим вища густина електронів. Підсистема плазмових хвиль «Вояджера-1», яка включає дві антени «заячі вушка», що стирчать на 30 футів (10 метрів) позаду космічного корабля, була розроблена, щоб почути цей дзвін.
Ілюстрація космічного корабля НАСА «Вояджер», на якій показано антени, які використовуються підсистемою плазмових хвиль та іншими інструментами. Авторство: NASA/JPL-Caltech
У листопаді 2012 року, через три місяці після виходу з геліосфери, «Вояджер-1» вперше почув міжзоряні звуки (дивіться відео вище). Через півроку з’явився ще один «свисток» – цього разу голосніший і ще вищий. Здавалося, що міжзоряне середовище стає густішим і швидко.
Ці короткочасні свистки продовжуються через нерегулярні проміжки часу в даних Вояджера сьогодні. Вони є чудовим способом вивчення щільності міжзоряного середовища, але для цього потрібно трохи терпіння.
«Їх бачили лише раз на рік, тому покладання на такі випадкові події означало, що наша карта щільності міжзоряного простору була дещо розрідженою», — сказав Окер.
Окер вирішив знайти постійну міру міжзоряної середньої щільності, щоб заповнити прогалини – ту, яка не залежить від випадкових ударних хвиль, що поширюються від Сонця. Після фільтрації даних «Вояджера-1» у пошуках слабких, але послідовних сигналів вона знайшла багатообіцяючого кандидата. Це почало набирати обертів у середині 2017 року, приблизно під час чергового свистка.
«Це фактично один тон», — сказав Окер. «І з часом ми чуємо, як вона змінюється, але те, як змінюється частота, говорить нам, як змінюється щільність».
Слабкі, але майже безперервні коливання плазми – видимі як тонка червона лінія на цьому малюнку/tk – пов’язують сильніші події в даних підсистеми плазмових хвиль «Вояджера-1». На зображенні чергуються графіки, що показують лише сильні сигнали (блакитний фон), і відфільтровані дані, що показують слабші сигнали. Авторство: NASA/JPL-Caltech/Stella Ocker
Окер називає новий сигнал випромінюванням плазмової хвилі, і, здається, він також відстежує щільність міжзоряного простору. Коли в даних з'являються різкі свистки, тональність випромінювання підвищується і падає разом з ними. Сигнал також нагадує той, що спостерігається у верхніх шарах атмосфери Землі, який, як відомо, відповідає густині електронів там.
«Це справді захоплююче, тому що ми можемо регулярно досліджувати щільність на дуже довгій ділянці космосу, найдовшій ділянці космосу, яку ми маємо досі», — сказав Окер. «Це дає нам найповнішу карту щільності та міжзоряного середовища, яку бачив Вояджер».
Виходячи з сигналу, щільність електронів навколо «Вояджера-1» почала зростати в 2013 році і досягла поточного рівня приблизно в середині 2015 року, тобто приблизно в 40 разів збільшилася щільність. Космічний корабель, здається, знаходиться в подібному діапазоні щільності, з деякими коливаннями, протягом усього набору даних, який вони проаналізували, який закінчився на початку 2020 року.
Зараз Окер та її колеги намагаються розробити фізичну модель випромінювання плазмової хвилі, яка буде ключовою для її інтерпретації. Тим часом підсистема плазмових хвиль «Вояджера-1» продовжує надсилати дані все далі й далі від дому, де кожне нове відкриття може змусити нас переосмислити наш дім у космосі.
Щоб дізнатися більше про це дослідження, прочитайте «У порожнечі космосу за 14 мільярдів миль «Вояджер-I» виявляє «гул» із плазмових хвиль.
Довідка: Стелла Кох Окер, Джеймс М. Кордес, Шамі Чаттерджі, Дональд А. Гернетт, Вільям С. Курт і Стівен Р. Спенглер, «Стійкі плазмові хвилі в міжзоряному просторі, виявлені Вояджером-1», 10 травня 2021 р. Природа астрономії.
DOI: 10.1038/s41550-021-01363-7
