За 40 лет «Вояджеры» улетели за 20 млрд км от Земли, но продолжают работать
По мере того как два космических зонда, "Вояджер-1" и "Вояджер-2" продолжают свои путешествия по межзвездному пространству, они разрешают прошлые споры. Последнее их открытие - истинная форма гелиосферы.
Два космических зонда "Вояджер", запущенные более четырех десятилетий назад, продолжают расширять наши горизонты. Пролетев мимо планет-гигантов в конце 1970-х и начале 1980-х годах, "Вояджеры" ушли далеко в космос. Так, "Вояджер-1" сегодня более чем в пять раз дальше от Земли, чем Нептун, да и "Вояджер-2" не сильно от него отстает. Оба зонда достигли новой, совершенно неисследованной области пространства - межзвездной среды, и совершают там новые открытия.
Межзвездное магнитное поле удивило исследователей как своей величиной, так и направлением, заставив пересмотреть ранее существовавшие представления о геометрии и активности гелиосферы - магнитной области Солнца.
Относительно гелиосферы существует много неразрешенных вопросов. Имеет ли она форму кометы или все же ближе к сферической? Влияют ли на ее размер пятна на Солнце, или он относительно стабилен? "Вояджеры" дали на этот счет несколько важных подсказок.
Путешественники на дальние расстояния
"Вояджеры" покинули Землю в 1977 году. Они не были первыми космическими кораблями, достигшими ближайшей из планет-гигантов - эта честь досталась "Пионерам", под номерами 10 и 11. Но "Вояджеры" были более сложными, и обладали большими возможностями для исследований.
"Вояджер-1" прошел более короткий путь, чем "Вояджер-2", и первым прибыл к Юпитеру в 1979, обнаружив на спутнике Ио действующие вулканы. В 1980 "Вояджер-1" пролетел мимо Сатурна, проследив за замысловатыми деталями в его кольцах и обнаружив азотную атмосферу на Титане, первую за пределами Земли. "Вояджер-2" посетил Юпитер в 1979 году и Сатурн в 1981, затем прошел мимо Урана в 1986 и Нептуна в 1989. Во всех случаях он передал на Землю великолепные фотоснимки, а также заметил гейзеры на спутнике Нептуна Тритоне.
Затем оба "Вояджера" направились в межзвездное пространство. По определению астрономов, межзвездная среда начинается там, где заканчивается солнечный ветер - отток заряженных частиц от Солнца. Этот ионизированный газ - или очень разреженная плазма прижимается к более холодной и плотной межзвездной плазме, двигаясь в ней как галька в потоке воды. Полость, заполненная солнечной плазмой, называется гелиосферой, а ее край - гелиопаузой, так же как вершина тропосферы Земли называется тропопаузой.
Когда "Вояджеры" были запущены, местонахождение гелиопаузы было неизвестно. В результате, никто не знал, когда и где они войдут в межзвездное пространство.
Вскоре после встречи с Нептуном, в июле 1992 года оба "Вояджера" начали обнаруживать мощные радиосигналы на частотах от 2 до 3 килогерц. Эти радиоволны были приписаны шести большим вспышкам, вспыхнувшим на Солнце более года назад. Исследователи пришли к выводу, что плазма, выброшенная во время вспышки, в конечном итоге попала в гелиопаузу, заставив электроны испускать радиоволны в процессе своего остывания и согласования плотности с межзвездной средой. Это позволило определить плотность межзвездной среды, оказавшейся намного большей, чем у внешней гелиосферы.
Кроме того, зная приблизительную скорость исходящего солнечного материала и время, необходимое для достижения им гелиопаузы, можно было определить расстояние гелиопаузы от Солнца. Оно составило от 116 до 177 астрономических единиц, где астрономическая единица - среднее расстояние между Солнцем и Землей. Однако эти расчеты оставались спорными до момента прохождения гелиопаузы самими зондами.
Переход
"Вояджер-1" прошел через гелиопаузу 25 августа 2012 года на расстоянии 121,6 астрономических единиц от Солнца, что примерно в четыре раза превышает расстояние до Нептуна и точно соответствовало расчетам, сделанным двумя десятилетиями ранее. Признаком перехода стало исчезновение высокоэнергетичных солнечных частиц. Кроме того, усилились космические лучи из-за пределов Солнечной системы, которые частично блокирует гелиосфера.
Но было две проблемы. Во-первых, плазменный прибор "Вояджера-1" перестал работать и не смог зафиксировать скачок плотности частиц, когда он прошел из гелиосферы в межзвездное пространство. Во-вторых, ожидалось, что магнитное поле за пределами гелиосферы будет иметь другое направление, но этого не произошло. По сей день все еще не ясно, почему магнитное поле вне гелиосферы совпадает с магнитным полем внутри.
Переход "Вояджера" через гелиопаузу подтвердила солнечная буря 2012 года. Она сотрясла межзвездную плазму, через которую мчался "Вояджер-1", заставив ее электроны испускать радиоволны, частота которых указывала, что "Вояджер" действительно вошел в более плотную область.
Таким образом, "Вояджер-1" стал первым космическим аппаратом, достигшим межзвездной среды. Вопреки сообщениям некоторых СМИ, он все еще не покинул Солнечную систему. Далеко за орбитами Нептуна и Плутона вокруг Солнца по вытянутым орбитам вращается примерно триллион ледяных тел, классифицируемых как кометы. Самый дальний из этих объектов, вероятно, находится на расстоянии 1-2 световых лет, или от 63000 до 126000 астрономических единиц, но продолжает вращаться по солнечной орбите, удерживаемый гравитацией нашей звезды.
5 ноября 2018 года "Вояджер-2" также пересек гелиопаузу. На этот раз плазменный прибор сработал и зарегистрировал скачок плотности частиц, а также температуры, от 30 000 до 50 000 К, что намного горячее, чем местная межзвездная среда. Скачок температуры, вероятно, вызван тем, что разреженная солнечная плазма сжимается при попадании в гелиосферу. Как и "Вояджер-1", "Вояджер-2" зарегистрировал исчезновение солнечного ветра и рост интенсивности космических лучей. Магнитное поле также не сменило направление, подтвердив, что результат, полученный шестью годами ранее, не был случайностью.
Расстояние пересечения гелиопаузы составило 119,0 астрономических единиц от Солнца. Это было почти такое же расстояние, на котором ее пересек "Вояджер-1", и это стало сюрпризом, потому, что солнечный цикл тогда находился в другой фазе. В течение 11-летнего периода, когда солнечные пятна увеличиваются и уменьшаются, солнечный ветер усиливается и ослабевает, оказывая большее, а затем меньшее воздействие на гелиопаузу, хотя и с задержкой во времени примерно на 2,5 года. Казалось бы, гелиосфера должна от этого расширяться и сжиматься, и, поскольку давление солнечного ветра в 2012 году было меньше, чем в 2018 году, гелиосфера во время пролета "Вояджера-1" должна была быть значительно меньше, чем у "Вояджера-2". Вместо этого были зафиксированы почти равные расстояния. Это означает, что гелиопауза оказалась более прочной, чем предполагалось. При этом, межзвездное магнитное поле, оцененное "Вояджером-1" в 5 мкгаусс, а "Вояджер-2" - в 7 мкг. Что в 2-3 раза превышало прогнозы, действует как смирительная рубашка, подавляя большую часть расширения и сжатия гелиосферы.
Поскольку межзвездное магнитное поле настолько велико, магнитное давление сжимает гелиосферу и делает ее круглой. Впрочем, на этот счет все еще остаются некоторые сомнения.
Последний рубеж
Какой бы ни была точная форма гелиосферы, "Вояджеры 1" уже летят прочь от нее. К концу года "Вояджер-1" будет находиться на расстоянии 155 астрономических единиц от Солнца, и его сигналам потребуется более 21 часа, чтобы добраться до нас. "Вояджер-2" удалится на 129 астрономических единиц и в 2023 году обгонит мертвый "Пионер-10". При этом, два "Вояджера" разлетаются в разные стороны и дальше друг от друга, чем любой из них от Земли.
Они продолжают передавать данные о межзвездном пространстве. Оба аппарата могут измерять плотность электронов и обнаруживать радиоволны, генерируемые, солнечными вспышками. Текущие измерения показывают, что межзвездная плотность еще больше увеличилась по сравнению со значением, которое она имела непосредственно за пределами гелиопаузы, и никто не знает, что произойдет дальше.
"Вояджер-2", у которого есть работающий плазменный прибор, будет следить за межзвездной температурой. Эта температура в настоящее время составляет 7500 К, и, вероятно, упадет еще больше; высокая температура сразу за гелиопаузой является результатом сжатия и нагрева плазмы. Оба космических аппарата будут следить за межзвездным магнитным полем. Если поле усиливается вблизи гелиопаузы, то оно должно ослабевать на больших расстояниях. По мере отдаления от гелиопаузы "Вояджеры" даже смогли зафиксировать изменения его направления.
Конечная цель миссии - получить образцы невозмущенной межзвездной среды, космоса настолько далекого, что гелиосфера практически не влияет на него, уточнив состав и свойства межзвездного газа.
Никто не знает, сколько еще проживут два космических зонда. Их ситемы работают от плутониевых реакторов, но они, по мере распада радиоактивного элемента, с каждым годом вырабатывает все меньше и меньше энергии.
Копии позолоченных дисков с посланием для инопланетян, отправленных с "Вояджерами" изготовят как сувениры.
