Ученые называют область пространства, на которую влияет Солнце, гелиосферой, но без межзвездного зонда они мало что знают о ее форме. Гелиосфера, область космоса, на которую влияет Солнце, более чем в сто раз больше расстояния от Солнца до Земли.
Солнце — это звезда, которая постоянно испускает устойчивый поток плазмы, высокоэнергетического ионизированного газа, называемого солнечным ветром. В дополнение к постоянному солнечному ветру, солнце также время от времени испускает извержения плазмы, называемые выбросами корональной массы, которые могут способствовать полярному сиянию, и всплескам света и энергии, называемым вспышками.
Плазма, исходящая от солнца, расширяется в пространстве вместе с магнитным полем солнца. Вместе они образуют гелиосферу внутри окружающей локальной межзвездной среды — плазмы, нейтральных частиц и пыли, заполняющих пространство между звездами и их соответствующими астросферами.
Гелиосфера блокирует многие космические лучи, показанные в виде ярких полос на этом анимированном изображении, не давая им достичь планет нашей Солнечной системы. Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА/Лаборатория концептуальных изображений
Восемь известных планет в Солнечной системе, пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера — полоса небесных объектов за Нептуном, включающая планетоид Плутон — все находятся в гелиосфере. Гелиосфера настолько велика, что объекты в поясе Койпера вращаются ближе к Солнцу, чем к ближайшей границе гелиосферы.
Когда далекие звезды взрываются, они выбрасывают в межзвездное пространство огромное количество радиации в виде высокоэнергетических частиц, известных как космические лучи. Эти космические лучи могут быть опасны для живых организмов и могут повредить электронные устройства и космические корабли.
Атмосфера Земли защищает жизнь на планете от воздействия космической радиации, но еще до этого сама гелиосфера действует как космический щит от большей части межзвездного излучения.
Художественное изображение гелиосферы и ее места в локальной межзвездной среде и в галактике Млечный Путь. Межзвездный зонд может путешествовать дальше, чем любой предыдущий космический аппарат, и помочь ученым хорошо рассмотреть нашу гелиосферу — влияние Солнца в космосе — снаружи. JHU/APL
В дополнение к космическому излучению, нейтральные частицы и пыль постоянно поступают в гелиосферу из локальной межзвездной среды. Эти частицы могут влиять на пространство вокруг Земли и даже могут изменить то, как солнечный ветер достигает Земли.
Сверхновые и межзвездная среда также могли оказать влияние происхождение жизни и эволюцию людей на Земле. Некоторые исследователи предсказывают, что миллионы лет назад гелиосфера вошла в контакт с холодным, плотным облаком частиц в межзвездной среде, что заставило гелиосферу сжаться, открыв Землю для воздействия местной межзвездной среды.
Но ученые на самом деле не знают, какова форма гелиосферы. Модели различаются по форме от сферической до кометоподобной и круассанообразной. Эти прогнозы различаются по размеру в сотни или тысячи раз больше расстояния от Солнца до Земли.
Однако ученые определили направление, в котором движется солнце, как направление «носа», а противоположное направление — как направление «хвоста». Направление носа должно иметь кратчайшее расстояние до гелиопаузы — границы между гелиосферой и локальной межзвездной средой.
Ни один зонд никогда не получал хорошего обзора гелиосферы снаружи или должным образом не брал образцы местной межзвездной среды. Это могло бы рассказать ученым больше о форме гелиосферы и ее взаимодействии с местной межзвездной средой, космической средой за пределами гелиосферы.
Изображение гелиосферы художником – истинная форма остается неизвестной. Добавлены метки для солнца, гелиопаузы и направлений носа и хвоста, а также пример направления фланга. Предполагается, что зонды Voyager пересекли границу гелиосферы во время своего многолетнего путешествия. NASA/JPL-Caltech
В 1977 году НАСА запустило миссию Voyager: два ее космических аппарата пролетели мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна во внешней солнечной системе. Ученые определили, что после наблюдения за этими газовыми гигантами зонды по отдельности пересекли гелиопаузу и вошли в межзвездное пространство в 2012 и 2018 годах соответственно.
Хотя Voyager 1 и 2 являются единственными зондами, которые когда-либо потенциально пересекали гелиопаузу, они уже давно вышли за рамки предполагаемого срока службы миссии. Они могут больше не могут возвращать необходимые данные, поскольку их приборы медленно выходят из строя или отключаются. Эти космические аппараты были разработаны для изучения планет, а не межзвездной среды. Это означает, что у них нет необходимых инструментов для проведения всех измерений межзвездной среды или гелиосферы, которые нужны ученым.
Вот тут-то и может пригодиться потенциальная миссия межзвездного зонда. Зонд, предназначенный для полета за пределы гелиопаузы, поможет ученым изучить гелиосферу, наблюдая за ней извне.
Поскольку гелиосфера настолько велика, зонду понадобятся десятилетия, чтобы достичь ее границы, даже с использованием гравитационного маневра с такой массивной планеты, как Юпитер.
NASA рассматривает возможность разработки межзвездного зонда. Этот зонд будет проводить измерения плазмы и магнитных полей в межзвездной среде и получать изображения гелиосферы извне. Для подготовки NASA запросило вклад более 1000 ученых по концепции миссии.
В первоначальном отчете рекомендовалось, чтобы зонд двигался по траектории, которая находится примерно в 45 градусах от направления носа гелиосферы. Эта траектория будет повторять часть пути Вояджера, достигая при этом некоторых новых областей космоса. Таким образом, ученые смогут изучать новые области и повторно посещать некоторые частично известные области космоса.
Этот путь даст зонду лишь частичное угловое изображение гелиосферы, и он не сможет увидеть гелиохвост — область, о которой ученым известно меньше всего.
Ученые предсказывают, что в гелиохвосте плазма, из которой состоит гелиосфера, смешивается с плазмой, из которой состоит межзвездная среда. Это происходит посредством процесса, называемого магнитным пересоединением , который позволяет заряженным частицам устремляться из локальной межзвездной среды в гелиосферу. Так же, как и нейтральные частицы, входящие через нос, эти частицы влияют на космическую среду внутри гелиосферы.
Однако в этом случае частицы имеют заряд и могут взаимодействовать с солнечными и планетарными магнитными полями. Хотя эти взаимодействия происходят на границах гелиосферы, очень далеко от Земли, они влияют на состав внутренней части гелиосферы.
Траектория, пересекающая фланг гелиосферы в направлении хвоста, предоставит ученым уникальную возможность изучить совершенно новую область пространства внутри гелиосферы. Когда зонд выйдет из гелиосферы в межзвездное пространство, он получит вид на гелиосферу снаружи под углом, который даст ученым более детальное представление о ее форме, особенно в спорной области хвоста. В конечном итоге, в каком бы направлении ни был запущен межзвездный зонд, возвращаемые им научные данные будут бесценными и в буквальном смысле астрономическими.