Ученые узнали, как межзвездная пыль проникает в нашу Солнечную систему

Свойства плазмы на границах гелиосферы помогают мелким частицам межзвездной пыли проникать ближе к Солнцу, установили исследователи новой кинетической модели, разработанной сотрудниками Института космических исследований (ИКИ) РАН, 26 ноября сообщает пресс-служба института.

Модель, разработанная сотрудниками ИКИ РАН Егором Годенко и Владиславом Измоденовым, позволяет изучать свойства межзвездного вещества за пределами Солнечной системы, измеряя параметры пыли, проникшей внутрь нее.

Скорость Солнца и движущейся вместе с ним Солнечной системы в Галактике составляет примерно 26,4 км/с. От Солнца при этом непрерывно истекает со скоростью 300–700 км/с так называемый солнечный ветер (поток плазмы), образуя в более разреженной межзвездной плазме гелиосферу — область пространства, заполненную веществом Солнца.

Разделяют гелиосферу и межзвездную среду несколько границ, первой из которых является гелиосферная ударная волна (termination shock), где происходит падение скорости солнечного ветра от сверхзвуковой к дозвуковой. Следует за ней область внутреннего гелиосферного ударного слоя (inner heliosheath). Она заканчивается на второй границе — гелиопаузе (heliopause), которая отделяет солнечную плазму от межзвездной.

Далее идет внешний гелиосферный ударный слой (outer heliosheath), представляющий собой область дозвукового течения межзвездной среды. Есть гипотезы о существовании третьей границы — головной ударной волны, однако это пока остается предметом дискуссий.

Пространство между ударными волнами, где солнечный ветер непосредственно взаимодействует с межзвездной средой, принято называть гелиосферным ударным слоем (heliospheric interface). Их взаимодействие определяется такими параметрами обеих сред, как величины и направления электромагнитных полей, температура и скорость плазмы и др.

Все вышеописанные границы между межзвездной средой и Солнечной системой проницаемы. Из космического пространства в гелиосферу проникают и крупные «гости» — кометы и астероиды, и частицы межзвездного вещества, и более крупные частицы межзвездной пыли размерами от нескольких нанометров до нескольких микрометров (10⁻⁹–10⁻⁶ м).

Межзвездная пыль имеет положительный заряд и на нее воздействуют электромагнитные поля гелиосферного ударного слоя, от которых зависит, сможет ли пыль проникнуть внутрь гелиосферы и куда попадет потом. Поэтому наблюдения за пылью внутри Солнечной системы позволяют понять, что происходит на ее границах.

Кроме того, изучение межзвездной пыли помогает понять физику процессов, относящихся к происхождению планет и, возможно, зарождению жизни.

Регистрацию межзвездной пыли в Солнечной системе выполнил, например, космический аппарат «Улисс» (Ulysses, ESA, NASA), запущенный на необычную орбите, выходящую очень далеко за пределы плоскости эклиптики. Ее часть пролегала вблизи орбиты Юпитера на расстоянии около 5 астрономических единиц (а.е.) от Солнца.

Всего за 16 лет работы «Улиссом» было зарегистрировано 6719 пылевых частиц, из которых межзвездными были около 600. Полученные данные ученые пытались использовать для определения того, как распределена межзвездная пыль в Солнечной системе.

Для этого были построены несколько моделей прохождения этой пыли через гелиосферный ударный слой. Однако они не смогли полностью воспроизвести данные «Улисса», так как эти модели не учитывали динамику этого слоя, которая зависит, в том числе, от 22-летнего солнечного цикла и 25-дневного цикла обращения Солнца вокруг своей оси.

Новая кинетическая модель сотрудников лаборатории межпланетной среды отдела физики планет ИКИ РАН Егора Годенко и Владислава Измоденова впервые учитывает эффекты гелиосферного ударного слоя, такие как гравитационное притяжение к Солнцу, радиационное давление солнечных фотонов и электромагнитные силы, и одновременно изменчивость гелиосферного магнитного поля (магнитных полей внутри Солнечной системы).

При этом предполагается, что частицы пыли от 150 до 500 нанометров и более состоят из силикатов.

Проведя с помощью новой модели анализ того, как происходит проникновение частиц межзвездной пыли на близкие к Солнцу расстояния, они сравнили полученные результаты с теми, когда влияние гелиосферного ударного слоя не учитывалось.

Неожиданно оказалось, что гелиосферный ударный слой помогает мелким пылинкам с радиусом 150–250 нм проникать на малые расстояния (1–5 а.е.) от Солнца. Тогда как ранее предполагалось, что этот слой препятствует проникновению мелкой пыли, являясь как бы фильтром для нее.

Однако гелиосферный ударный слой практически не оказывает влияния на крупные пылинки с радиусами более 500 нм, которые практически беспрепятственно проходят через границы гелиосферы. Поэтому почти нет разницы между двумя моделированными ситуациями.

Продолжив исследования модели, ученые получили данные по распределению межзвездной пыли в 2004–2005 гг. в плоскости, проходящей через центр Солнечной системы, близкой к орбите «Улисса».

Они снова промоделировали два варианта — с влиянием параметров гелиосферного ударного слоя и без него, получив две «картинки» с концентрацией межзвездной пыли, где разным цветом было показано распределение частиц разного размера. Оказалось, что различия в этих картинках для двух вариантов были существенны.

Нанеся на обе картинки орбиту «Улисса», можно увидеть, что она пролегает через область повышенной концентрации межзвездной пыли для модели с учетом влияния гелиосферного ударного слоя, тогда как для другой модели в этой области межзвездной пыли гораздо меньше. При этом именно в это время данный космический аппарат зарегистрировал повышенное количество частиц межзвездной пыли.

Таким образом ученые не только доказали влияние гелиосферного ударного слоя на проникновение межзвездной пыли в нашу галактику, но и получили прямое свидетельство тому, что по ее свойствам в ближайших окрестностях Земли можно судить о том, что происходит на окраине Солнечной системы и даже в межзвездной среде — на расстояниях более 120–150 а.е.

Результаты исследования разработанной модели авторы представили в статье «Неожиданная роль границ гелиосферы в содействии проникновению межзвездной пыли на растояние 1–5 а.е.» (The unexpected role of heliospheric boundaries in facilitating interstellar dust penetration at 1–5AU), опубликованной в журнале Astronomy&Astrophysics, 687, L4 (2024).