Неожиданно маленькую толщину гелиосферного ударного слоя Солнечной системы можно объяснить электронной теплопроводностью. Это доказали результаты трёхмерного кинетико-магнитогидродинамического моделирования, которое провели сотрудники Института космических исследований  РАН. Таким образом удалось объяснить наблюдения, сделанные аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджет-2» (NASA) в 2012 и 2018 годах.

Когда «Вояджеры» выходили за пределы Солнечной системы, это означало, что они покидают область пространства, заполненную солнечным ветром — плазмой Солнца, которая со сверхзвуковой скоростью истекает от нашего светила и образует своего рода «пузырь» в более разрежённой межзвёздной плазме.

Поскольку Солнце, со всеми планетами, движется по отношению к межзвёздной плазме, то этот «пузырь» становится «каплей» — по ходу движения облако солнечной плазмы «поджимается», а с обратной стороны вытягивается, образуя «лоб» (или «нос») и «хвост».

Схема «границ» Солнечной системы и положение аппаратов «Вояджер-1 и -2» по сообщению декабря 2018 г. Принятые русские обозначения: heliosphere — гелиосфера; termination shock (TS) — гелиосферная ударная волна; heliosheath — гелиосферный ударный слой; heliopause — гелиопауза

На пути наружу аппараты последовательно пересекли несколько границ, которые отделяют солнечный ветер от потока межзвёздной плазмы. Первая граница — гелиосферная ударная волна (termination shock), где скорость солнечного ветра падает от сверхзвуковой к дозвуковой. За ней следует область внутреннего гелиосферного ударного слоя (inner heliosheath), которая заканчивается на гелиопаузе (heliopause) — границе, отделяющей солнечную плазму от межзвёздной. Далее следует область дозвукового течения межзвёздной среды или внешний гелиосферный ударный слой (outer heliosheath), где аппараты находятся сейчас.

Описанная выше картина глобальной гелиосферы была предложена в 1970 году в работе сотрудников ИКИ РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова В. Б. Баранова, К. В. Краснобаева и А. Г. Куликовского. Её затем уточняли, по мере появления экспериментальных данных о солнечном ветре на разных расстояниях от Солнца. Особенно важными оказались данные «Пионеров-11» и обоих «Вояджеров» — тех космических аппаратов, которые пересекли всю Солнечную систему по направлению к её «носу».

Это путешествие преподнесло много сюрпризов, и один из них — неожиданно маленькая, по сравнению с предсказаниями, толщина гелиосферного ударного слоя, то есть области, где скорость солнечного ветра снижается до дозвуковой. По данным «Вояджера-1», она составила 28 астрономических единиц (а.е., среднее расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 150 млн км), а «Вояджера-2» — 34 а.е. Оба значения существенно меньше, чем предполагалось моделями, — 50–70 а.е.

Эта проблема ждала своего решения более десяти лет — фактически, с 2012 года, когда «Вояджер-1» впервые в истории человечества пересёк гелиопаузу на расстоянии 122 а.е. от Солнца («Вояджер-2» — в 2018 году на расстоянии 119 а.е.). Попытки объяснить такую малую толщину вариациями параметров межзвёздной среды, например, направлением магнитного поля, оказались неудачными.

Заведующий лабораторией межпланетной среды ИКИ РАН, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова профессор РАН Владислав Измоденов и старший научный сотрудник ИКИ РАН и Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН Дмитрий Алексашов, предложили, что причину надо искать не во временных изменениях каких-то характеристик, а в самом «устройстве» гелиосферы, и поэтому следует рассмотреть её более детально.

Исследователи обратили внимание на электронную теплопроводность, то есть передачу тепла через энергию движения электронов. Электроны, вместе с протонами солнечного ветра, захваченными протонами межзвездной среды и ядрами гелия — основные компоненты солнечной плазмы. Поскольку электроны, как и протоны, — заряженные частицы, то они движутся по магнитным силовым линиям, и, в частности, могут уносить тепловую энергию вдоль магнитных силовых линий из лобовой части гелиосферы в её хвост. Далее следовали оценить действие этого механизма на устройство гелиосферы в целом.

В 2014 году Владислав Измоденов с коллегами предложили первую упрощённую модель, которая показала, что теплопроводность действительно важна, но для окончательного ответа на вопрос, что именно меняется в гелиосфере, если мы учтём её, требовалось провести более сложное моделирование. Оно должно было учитывать взаимодействие солнечного ветра с межзвёздной средой в динамике и в трёх измерениях. Задача усложнялась тем, что временной масштаб, на котором действует теплопроводность, во много раз меньше временного масштаба, характерного для других гелиосферных процессов.

Но проблемы удалось решить. Владислав Измоденов и его коллега Дмитрий Алексашов провели трехмерное кинетико-магнитогидродинамическое моделирование глобальной гелиосферы с учетом эффектов теплопроводности. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Новизна модели состояла в том, что в неё были включены уравнения притока тепла с учетом анизотропной теплопроводности. После того, как они были численно решены, полученное распределение теплового давления было учтено при решении уравнений идеальной магнитогидродинамики.

Полученные результаты затем сравнили с тем, что получалось без учёта электронной теплопроводности.

Диаграммы A и B показывают численную концентрацию, диаграммы C и D — температуру солнечного ветра гелиосферы, полученные в результате моделирования с учетом электронной теплопроводности (A и C) и без неё (B и D). Картинка дана в экваториальной плоскости, т.е. мы смотрим на Солнце со стороны полюса. Белой сплошной линией показаны форма гелиосферной ударной волны и гелиопаузы для модели с учетом электронной теплопроводности, пунктирной линией — без её учёта. Расстояния даны в астрономических единицах (а.е.)

Оказалось, что влияние электронной теплопроводности на структуру гелиосферы очень значительно и наиболее заметно именно в области гелиосферного ударного слоя. Вблизи плоскости солнечного экватора его толщина уменьшается примерно на 20 %, по сравнению с «начальной моделью», из-за того что гелиопауза приближается к Солнцу. Именно это и показали «Вояджеры».

Интересно, что в полярных областях гелиосферы толщина этого слоя должна уменьшиться более чем на 50%, в том числе потому, что дальше от Солнца сдвигается внутренняя граница гелиосферной ударной волны из-за большей скорости солнечного ветра.

Кроме объяснения имеющихся фактов, новая модель позволила сделать несколько предсказаний, которые ещё предстоит проверить.

Первое из них — сильное понижение температуры плазмы внутреннего гелиослоя в направлении гелиопаузы до такой степени, что температура солнечного ветра в окрестности гелиопаузы становится ниже межзвездной.

Авторы объясняют это комбинированным воздействием теплопроводности и магнитного поля. Дело в том, что сразу после гелиосферной ударной волны — первой «границы» гелиосферы — температура очень высока. Именно поэтому электронная теплопроводность начинает работать очень эффективно, и электроны очень быстро «уносят» тепло по магнитным линиям в хвост гелиосферы. В результате плазма быстро остывает по направлению к гелиопаузе.

Второе неожиданное предсказание модели — согласно ей, температура электронов до гелиосферной ударной волны (где скорость солнечного ветра больше скорости звука) должна быть выше, чем предполагалось ранее. Вероятно, это связано с переносом тепла «обратно» из внутреннего гелиосферного ударного слоя. Однако пока нет надёжных данных о температуре электронов в дальних областях гелиосферы, и прямое подтверждение ещё предстоит получить.

В целом, как полагают авторы, дальнейшее развитие моделирования глобальной гелиосферы состоит в учёте новых физических процессов, действующих на микро- и мезо- масштабах и проявляющих себя на макромасштабах. В целом, глобальная структура гелиосферы хорошо описывается в рамках «однокомпонентного подхода» для описания плазменной компоненты, где учтён баланс массы, импульса и энергии. Но чтобы понять тонкую структуру гелиосферы и объяснить наблюдения, необходимо учитывать в модели новые компоненты — различия между солнечными и захваченными протонами, электронную компоненту и их разное поведение в ударных волнах.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект 19-12-00383.

Источник: ИКИ РАН.