Почему «Вояджеры» не видят магнитной «стены» на краю гелиосферы: ученые ИКИ РАН нашли ответ

Солнечный ветер — непрерывный поток заряженных частиц — формирует вокруг Солнца и планет огромную область, называемую гелиосферой. Примерно в 80–90 астрономических единицах от светила сверхзвуковой поток резко замедляется на гелиосферной ударной волне. За ней располагается внутренний ударный слой — зона сжатой и нагретой плазмы, которая завершается гелиопаузой, где солнечное вещество граничит с межзвездным.

Первая модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой была предложена еще в 1970 году сотрудниками ИКИ РАН и МГУ В.Б.Барановым, К.В.Краснобаевым и А.Г.Куликовским. С тех пор она неоднократно уточнялась. Единственные аппараты, побывавшие в этих областях, — «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году. Ударную волну они пересекли на расстоянии 94 и 84 а.е., а гелиопаузу — в 2012 и 2018 годах на 122 и 119 а.е. соответственно.

Однако классические модели расходятся с показаниями «Вояджеров». Магнитное поле Солнца выносится ветром наружу и должно накапливаться в ударном слое, образуя перед гелиопаузой мощную магнитную «стену» и вытесняя плазму. Приборы же фиксируют плавный рост поля без падения плотности.

Для чего создавались «Вояджеры», где они сейчас и с какой скоростью летят

Причина расхождения, по словам научного сотрудника ИКИ РАН Сергея Королькова, кроется в структуре поля. Оно имеет две полярности, которые разделяет гелиосферный токовый слой — гигантская волнистая поверхность. В ударном слое ее складки сжимаются, сближая противоположно направленные поля. Это создает условия для магнитного пересоединения, при котором энергия поля переходит в тепло.

Проблема в масштабах: пересоединение идет на расстояниях в тысячи километров, а модель охватывает десятки миллиардов километров. Многие модели идут на упрощения — либо запрещают диссипацию, либо сталкиваются с «численной диссипацией» из-за грубой сетки.

Авторы нового исследования, опубликованного в Advances in Space Research, пошли третьим путем: в уравнение эволюции поля добавлено слагаемое, заставляющее его медленно затухать с характерным временем τ. Потерянная энергия переходит в тепло плазмы. Сверяя расчеты с данными «Вояджеров», ученые подобрали τ около шести лет.

Новая модель лучше воспроизводит наблюдаемые тренды: поле перестает накапливаться, плазма не вытесняется, а границы смещаются — ударная волна отодвигается примерно на 5 а.е., а ударный слой становится тоньше на 3 а.е. Впрочем, часть расхождений сохраняется: толщина слоя и скорость плазмы все еще отличаются от измерений. В дальнейшем авторы планируют учесть неравномерность пересоединения и расстояние между складками токового слоя.

Обложка: Scientific American