Автор: Космос кажется пустым, но даже там, где нет ни звёзд, ни планет, летают частицы. Оба «Вояджера», запущенные почти полвека назад, вышли за границу пузыря, который создаёт вокруг себя Солнце. Там они обнаружили неожиданное: чем дальше они улетают, тем плотнее становится окружающая плазма. Ниже — что такое граница Солнечной системы, как зонды измеряют плотность почти пустого пространства, какие версии предлагают учёные и что происходит с «Вояджерами» сегодня.
Содержание
Два «Вояджера»: самая долгая экспедиция в истории
Летом 1977 года NASA запустило два одинаковых космических аппарата — «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Первым, 20 августа, стартовал «Вояджер-2», а 5 сентября за ним последовал «Вояджер-1». Нумерация связана с тем, что «Вояджер-1» летел по более быстрой траектории и должен был первым достичь Юпитера и Сатурна.
Изначально миссию рассчитывали примерно на пять лет: аппараты должны были исследовать Юпитер и Сатурн. Но они проработали гораздо дольше, чем мечтали их создатели. Прошло почти пятьдесят лет, а «Вояджеры» всё ещё передают данные на Землю.
Большое турне
Конец 1970-х годов был уникальным временем для запуска. Планеты-гиганты выстроились так, что аппарат мог последовательно пролететь мимо нескольких из них, используя притяжение каждой для разгона к следующей. Такое расположение повторяется примерно раз в 175 лет.
«Вояджер-1» исследовал Юпитер в 1979 году и Сатурн в 1980-м, после чего ушёл из плоскости Солнечной системы. «Вояджер-2» прошёл мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. До сих пор он остаётся единственным аппаратом, побывавшим рядом с двумя последними планетами.
Бледно-голубая точка и золотая пластинка
У «Вояджеров» есть и знаменитые символические достижения. В 1990 году, по просьбе астронома Карла Сагана, «Вояджер-1» развернул камеры назад и сфотографировал Землю с расстояния около шести миллиардов километров. На снимке наша планета — крошечная бледно-голубая точка в луче солнечного света. Этот кадр стал одним из самых известных изображений в истории.
На борту каждого аппарата находится Золотая пластинка — позолоченная медная грампластинка с записями звуков Земли, музыкой, приветствиями на разных языках и изображениями. Это послание возможным внеземным цивилизациям, если когда-нибудь кто-то найдёт зонды в бесконечном космосе.
«Вояджеры» задумывались как пятилетняя миссия к Юпитеру и Сатурну, а стали первыми посланцами человечества в межзвёздное пространство
Где заканчивается Солнечная система
В исходной статье говорится, что «Вояджер-1» перешёл границу родной звёздной системы. Это популярная формулировка, но она требует уточнения. У Солнечной системы нет одной чёткой границы — их несколько, в зависимости от того, что считать границей.
Гелиосфера
Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц, который называют солнечным ветром. Он мчится от Солнца со скоростью несколько сотен километров в секунду во всех направлениях. Солнечный ветер вместе с магнитным полем Солнца создаёт вокруг нашей системы огромный пузырь — гелиосферу.
Гелиосфера защищает Солнечную систему от части космических лучей, приходящих из Галактики. Внутри неё находятся все планеты, а сама она простирается далеко за орбиту Нептуна.
Ударная волна завершения
На большом расстоянии от Солнца солнечный ветер встречается с межзвёздной средой и начинает тормозиться. Место, где он резко замедляется со сверхзвуковой скорости до дозвуковой, называется ударной волной завершения.
«Вояджер-1» пересёк её в декабре 2004 года на расстоянии около 94 астрономических единиц от Солнца. Астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 миллионов километров. «Вояджер-2» пересёк ударную волну в 2007 году, примерно на 84 астрономических единицах.
Гелиооболочка
За ударной волной находится гелиооболочка — область, где замедлившийся солнечный ветер смешивается и сгущается. Это переходная зона, где влияние Солнца постепенно слабеет.
Гелиопауза
Внешняя граница гелиооболочки называется гелиопаузой. Это место, где давление солнечного ветра уравновешивается давлением межзвёздной среды. За гелиопаузой начинается настоящее межзвёздное пространство, где частицы приходят уже не от Солнца, а от других звёзд Галактики.
Облако Оорта
Но даже выход за гелиопаузу не означает, что «Вояджеры» покинули Солнечную систему в полном смысле. Далеко за гелиосферой, предположительно на расстоянии до сотни тысяч астрономических единиц, находится облако Оорта — гигантское скопление ледяных тел, удерживаемых притяжением Солнца. Оттуда, как считается, прилетают некоторые кометы.
«Вояджерам» лететь до облака Оорта ещё сотни лет, а чтобы пройти его насквозь, понадобятся десятки тысяч лет. Так что правильнее говорить, что зонды покинули гелиосферу и вошли в межзвёздное пространство, но гравитационно они всё ещё находятся в пределах Солнечной системы.
«Вояджеры» вышли из пузыря солнечного ветра, но до настоящего края Солнечной системы им лететь ещё тысячи лет
Когда «Вояджеры» вышли за гелиопаузу
Выход за гелиопаузу стал одним из самых ожидаемых событий в истории космонавтики. Но определить, когда именно это произошло, оказалось непросто.
«Вояджер-1», 2012 год
«Вояджер-1» пересёк гелиопаузу 25 августа 2012 года на расстоянии около 121 астрономической единицы от Солнца. Но официально NASA объявило об этом только через год, в сентябре 2013 года. Почему так долго?
Проблема была в том, что прибор, который напрямую измерял параметры плазмы, на «Вояджере-1» перестал работать ещё в 1980 году. Учёным пришлось искать косвенные признаки перехода. Окончательно убедиться удалось, когда зонд зафиксировал колебания плазмы, по которым можно было определить её плотность. Она оказалась примерно в сорок раз выше, чем в гелиооболочке, — именно такую плотность ожидали в межзвёздной среде.
«Вояджер-2», 2018 год
«Вояджер-2» пересёк гелиопаузу 5 ноября 2018 года, примерно на 119 астрономических единицах от Солнца. У него прибор для измерения плазмы ещё работал, и учёные смогли напрямую увидеть момент перехода: скорость частиц солнечного ветра резко упала, а плотность и температура плазмы изменились.
Два перехода в разных местах гелиопаузы дали учёным возможность сравнить, как она устроена в разных направлениях. Оказалось, что граница достаточно резкая, но имеет свои особенности в каждом месте.
Космос не пустой
Чтобы понять, что именно обнаружили «Вояджеры», нужно разобраться, что вообще может быть «плотным» в космосе. Ведь космос обычно считают вакуумом.
Что такое плазма
Межзвёздное пространство не совсем пустое. В нём есть газ, пыль и, главное, плазма — газ, в котором часть атомов потеряла электроны. В плазме свободно летают положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Плазма реагирует на магнитные и электрические поля, и именно это делает её такой интересной для изучения.
В исходной статье упоминаются «электроны и плазма», но электроны — это часть плазмы, а не что-то отдельное. Говоря о плотности межзвёздного пространства, учёные обычно имеют в виду количество электронов в кубическом сантиметре.
Насколько пустой космос
Чтобы оценить масштаб, полезно сравнить:
- воздух у поверхности Земли содержит около 25 миллиардов миллиардов молекул в кубическом сантиметре;
- лучший вакуум, созданный на Земле, содержит сотни или тысячи частиц в кубическом сантиметре;
- межзвёздное пространство вблизи Солнца содержит примерно одну десятую частицы на кубический сантиметр.
То есть межзвёздная среда в тысячи раз разреженнее лучшего лабораторного вакуума. Но частицы там всё же есть, и их плотность можно измерить.
Местное межзвёздное облако
Солнце вместе с гелиосферой движется сквозь Галактику со скоростью около 26 километров в секунду относительно окружающей среды. Сейчас оно находится внутри так называемого Местного межзвёздного облака — облака разреженного газа размером около тридцати световых лет. Именно с этим облаком взаимодействует гелиосфера, и именно его изучают «Вояджеры».
Как измерить плотность, если прибор сломан
Самое интересное в этой истории — то, как учёные измеряют плотность плазмы с помощью «Вояджера-1», у которого прибор для этого давно не работает.
Плазменные колебания
Решение нашлось в другом приборе — системе изучения плазменных волн. Когда в плазме возникают возмущения, её электроны начинают колебаться с определённой частотой. Эта частота, которую называют плазменной частотой, напрямую зависит от плотности электронов. Чем выше плотность, тем выше частота.
Прибор «Вояджера» улавливает эти колебания. Измерив их частоту, учёные могут точно рассчитать плотность окружающей плазмы.
Солнечные «цунами»
Но для этого нужно, чтобы плазма начала колебаться. Здесь помогает само Солнце. Время от времени на нём происходят мощные выбросы вещества. Они порождают ударные волны, которые распространяются по всей гелиосфере и даже выходят за её пределы.
Когда такая ударная волна, её иногда сравнивают с цунами, доходит до «Вояджера», она возбуждает плазму вокруг него. Плазма начинает «звенеть» на своей частоте, и прибор это фиксирует. Каждое такое событие даёт учёным новое измерение плотности.
Тихий гул межзвёздного пространства
В 2021 году астрономы обнаружили ещё один способ измерения. Анализируя данные «Вояджера-1», они заметили очень слабый, но постоянный сигнал плазменных волн между крупными «цунами». Этот сигнал назвали гулом межзвёздного пространства.
Гул оказался очень полезным: он позволяет отслеживать плотность плазмы не только во время редких солнечных выбросов, но практически постоянно. Благодаря ему учёные получили гораздо более подробную картину того, как меняется плотность вдоль пути «Вояджера-1».
Чтобы измерить почти пустое пространство, учёным пришлось научиться слушать, как оно звенит от солнечных ударных волн
Плотность растёт с удалением от Солнца
Именно эти измерения и привели к открытию, о котором говорится в исходной статье.
Что обнаружили
Исследователи из Университета Айовы, работающие с прибором плазменных волн, в 2020 году опубликовали анализ данных обоих «Вояджеров». Они обнаружили, что с тех пор, как «Вояджер-1» пересёк гелиопаузу, плотность электронов вокруг него постоянно растёт по мере удаления от Солнца. За несколько лет плотность заметно увеличилась.
«Вояджер-2», вышедший за гелиопаузу позже и в другом месте, показал похожую картину: плотность за гелиопаузой тоже растёт с расстоянием. Совпадение данных двух аппаратов, находящихся в разных частях пространства, говорит о том, что это не случайная местная особенность, а общее явление.
Почему это неожиданно
Многие ожидали, что за гелиопаузой плотность межзвёздной среды будет примерно постоянной. Ведь это уже не зона влияния Солнца, а обычное межзвёздное пространство. Но данные показали, что сразу за гелиопаузой находится особая область, где плотность постепенно растёт.
Это значит, что гелиосфера влияет на межзвёздную среду дальше, чем предполагалось. Область сразу за гелиопаузой — не просто начало межзвёздного пространства, а переходная зона, где межзвёздная плазма как-то «чувствует» присутствие солнечного пузыря.
Версия первая: магнитное поле
Учёные предлагают два основных объяснения этого явления. Первое связано с магнитным полем Галактики.
Линии поля огибают гелиосферу
Межзвёздное пространство пронизано магнитным полем Галактики. Когда гелиосфера движется сквозь межзвёздную среду, она как бы проталкивается через это поле. Линии магнитного поля огибают гелиосферу, словно ткань, натянутая на шар.
На передней стороне гелиосферы, в направлении её движения, линии поля сгущаются и сжимаются. Это сжатие усиливает поле и может создавать область, где плазма тоже уплотняется.
Неустойчивость и колебания
Некоторые исследователи считают, что сжатое магнитное поле создаёт неустойчивость, из-за которой частицы плазмы начинают колебаться и скапливаться. Плотность в результате растёт по мере приближения к гелиопаузе изнутри межзвёздного пространства, а значит, если двигаться от Солнца наружу, будет сначала высокой, а затем постепенно выравниваться.
Правда, тут есть сложность: данные показывают рост плотности с удалением, а не снижение. Поэтому учёные обсуждают, как именно магнитное поле создаёт такую картину и на каком расстоянии плотность перестанет расти.
Версия вторая: пробка на выезде
Второе объяснение звучит почти по-бытовому, и именно его в исходной статье называют «пробкой».
Частицы, уходящие из гелиосферы
Согласно этой версии, межзвёздная плазма, обтекающая гелиосферу, тормозится и скапливается перед ней, как вода перед носом корабля. Чем ближе к гелиопаузе, тем сильнее торможение. Получается область, где межзвёздное вещество «нагромождается» на пути движения гелиосферы.
Почему это похоже на пробку
Представьте поток машин, которые приближаются к узкому месту на дороге. Перед ним они замедляются, и плотность машин растёт. Нечто похожее может происходить и с плазмой: она замедляется перед препятствием, которым служит гелиосфера, и скапливается.
Какая версия верна
Пока учёные не могут однозначно выбрать между этими объяснениями. Возможно, работают оба механизма одновременно. Чтобы решить вопрос, нужно знать, на каком расстоянии плотность перестанет расти и выйдет на постоянный уровень. Если «Вояджеры» успеют это зафиксировать, картина станет гораздо яснее.
Какой формы гелиосфера
Открытие плотности за гелиопаузой связано с ещё одним большим вопросом: какой формы вообще гелиосфера?
Капля, пузырь или круассан
Долгое время считалось, что гелиосфера похожа на комету: круглая спереди и с длинным хвостом сзади, вытянутым из-за движения сквозь межзвёздную среду. Но новые данные и модели поставили эту картину под сомнение.
В 2020 году группа исследователей под руководством астрофизика Мерав Офер из Бостонского университета предложила модель, в которой гелиосфера похожа на сдутый круассан, с двумя загнутыми «рогами» вместо длинного хвоста. Другие данные указывают на более округлую, почти сферическую форму.
Почему это важно
Форма гелиосферы определяет, как она защищает Солнечную систему от галактических космических лучей. А космические лучи влияют и на атмосферы планет, и, возможно, на условия для жизни. Поэтому вопрос о форме гелиосферы — не просто академическое любопытство.
Другие способы изучать границу
«Вояджеры» дают точечные измерения: каждый знает только то, что происходит прямо вокруг него. Чтобы увидеть картину целиком, нужны другие методы. С 2008 года вокруг Земли работает спутник IBEX, который улавливает нейтральные атомы, прилетающие с границы гелиосферы, и по ним строит её карту. В 2009 году IBEX обнаружил загадочную яркую «ленту» на этой карте, природа которой до сих пор обсуждается.
В 2025 году NASA запустило новый аппарат IMAP, предназначенный для ещё более подробного изучения границы гелиосферы и солнечного ветра. Он должен дополнить данные «Вояджеров» и IBEX.
«Вояджеры» сегодня
С момента публикации исходной статьи прошло несколько лет, и за это время с «Вояджерами» произошло немало событий. Они по-прежнему работают, но их возможности постепенно сокращаются.
Где они сейчас
«Вояджер-1» — самый далёкий от Земли рукотворный объект. Он находится на расстоянии больше 25 миллиардов километров от Солнца, это около 170 астрономических единиц. Радиосигнал от него идёт до Земли почти сутки. Примерно в конце 2026 года «Вояджер-1» должен достичь расстояния в одни световые сутки от Земли — символического рубежа, который никогда раньше не преодолевал ни один аппарат.
«Вояджер-2» находится ближе, примерно в 21 миллиарде километров. Он летит в другом направлении, к югу от плоскости Солнечной системы.
Энергия на исходе
Оба аппарата получают энергию от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, в которых распадается плутоний. С каждым годом генераторы дают меньше энергии, примерно на 4 ватта в год. Чтобы продлить работу аппаратов, инженеры постепенно отключают научные приборы и системы обогрева.
В 2024 году на «Вояджере-2» отключили прибор для измерения плазмы, который помог зафиксировать выход за гелиопаузу. В 2025 году отключили ещё несколько приборов на обоих аппаратах. Инженеры надеются, что хотя бы один-два прибора смогут проработать до 2030-х годов.
Сбои и спасения
В последние годы «Вояджерам» пришлось пережить несколько серьёзных сбоев. В ноябре 2023 года «Вояджер-1» вдруг начал передавать на Землю бессмысленный набор данных. Инженеры несколько месяцев искали причину и обнаружили, что вышел из строя один из чипов памяти бортового компьютера. В апреле 2024 года им удалось перенести программы в другую часть памяти, и аппарат снова начал передавать научные данные.
Каждое такое исправление — небольшое инженерное чудо. Команда работает с компьютерами, созданными в 1970-х годах, на расстоянии больше 20 миллиардов километров, и каждая команда идёт до аппарата почти сутки. Многие инженеры, которые сегодня поддерживают «Вояджеры», родились уже после их запуска.
Что будет дальше
Рано или поздно генераторы перестанут давать достаточно энергии, и связь с «Вояджерами» прервётся. Но сами аппараты продолжат лететь. Через десятки тысяч лет они пройдут облако Оорта, а примерно через сорок тысяч лет «Вояджер-1» пролетит на расстоянии около полутора световых лет от одной из звёзд в созвездии Жирафа. Золотые пластинки на их борту будут нести послание Земли ещё миллионы лет.
Новые путешественники
Пока «Вояджеры» доживают свой век, учёные думают о новых межзвёздных миссиях. Аппарат «Новые горизонты», исследовавший Плутон в 2015 году, тоже улетает из Солнечной системы и когда-нибудь может достичь гелиопаузы. Учёные разрабатывают и концепцию межзвёздного зонда, который должен будет улететь гораздо дальше и быстрее «Вояджеров», специально для изучения границы гелиосферы и межзвёздной среды.
Но пока такие аппараты существуют только в планах, «Вояджеры» остаются единственными свидетелями того, что происходит за пределами солнечного пузыря.
Как следить за «Вояджерами» самостоятельно
Если вам интересно, где сейчас находятся «Вояджеры» и что с ними происходит, следить за ними можно и самостоятельно, без специального оборудования.
Страница миссии
На сайте NASA есть страница миссии «Вояджер», где в реальном времени показано расстояние до каждого аппарата от Земли и от Солнца, время прохождения сигнала и состояние приборов. Цифры меняются каждую секунду, и наблюдать, как растёт расстояние, по-своему завораживает.
«Глаза на Солнечную систему»
NASA выпустило бесплатное приложение «Глаза на Солнечную систему», которое работает прямо в браузере. В нём можно увидеть трёхмерную модель Солнечной системы с положением «Вояджеров», других космических аппаратов, планет и комет. Можно «полететь» вместе с «Вояджером», посмотреть на Солнечную систему его глазами или вернуться во времени и увидеть, как он пролетал мимо Юпитера и Сатурна.
Сеть дальней космической связи
Связь с «Вояджерами» поддерживает Сеть дальней космической связи NASA — три комплекса огромных антенн в Калифорнии, Испании и Австралии. На сайте сети есть страница, где в реальном времени видно, с какими аппаратами сейчас разговаривает каждая антенна. Если повезёт, можно увидеть момент, когда одна из антенн принимает сигнал от «Вояджера».
Новости миссии
Наконец, команда «Вояджеров» регулярно публикует новости о состоянии аппаратов: об отключении приборов, сбоях, их исправлении, новых научных открытиях. Следить за этими новостями интересно не только любителям космоса. Каждая новость о «Вояджерах» напоминает, что люди, построившие их почти полвека назад, сумели отправить свои машины дальше, чем кто-либо до них.
