Где заканчивается Солнечная система?

"Вояджер-1" - единственный сделанный человеком объект, прославившийся тем, что вырвался за пределы "космического дома" своих создателей - Солнечной системы. Причем как минимум дважды. Где он сейчас? Технически, все еще в ней.

Первые сенсационные сообщения о том, что автоматический зонд "Вояджер-1" (Voyager-1), запущенный НАСА еще в 1977 году для исследования Юпитера и Сатурна, покинул Солнечную систему, появились в марте 2013 года.

Американский геофизический союз (AGU) - некоммерческое общество, занимающееся исследованиями Земли и космоса, - выпустил пресс-релиз, в котором ссылался на внезапные изменения космического излучения.

Всего через несколько часов, после комментария непосредственно работающих над проектом ученых НАСА о том, что они ничего подобного утверждать не могут, эксперты AGU пошли на попятную. Они изменили пресс-релиз, указав теперь, что аппарат "вошел в новый космический регион", и признались в попытках сделать выводы своих наблюдений понятными широкой публике.

Подобные сообщения появлялись еще несколько раз каждые пару месяцев, пока через полгода специалисты НАСА фактически не подтвердили все предыдущие заявления. Наконец было официально объявлено, что зонд вошел в межзвездное пространство еще годом раньше - 25 августа 2012 года.

СМИ вновь не смогли отказать себе в громких заголовках, гласивших, что "Вояджер" покинул Солнечную систему, - и были не совсем уж неправы. Однако в материалах НАСА до сих пор таких смелых утверждений нет - более того, согласно им, никто из нас не доживет до того момента, когда это бесспорно станет реальностью.

Этот материал подготовлен в качестве ответа на один из вопросов, присланных нашими читателями. Задать свои вопросы по другим темам вы можете по этим ссылкам (О жизни в Британии, О культурной жизни Лондона).

Где заканчивается Солнечная система?

Как всегда, это вопрос терминологии - все зависит от того, что именно считать Солнечной системой.

В привычном понимании она состоит из вращающихся вокруг нашей звезды восьми планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), их спутников, пояса астероидов (между орбитами Марса и Юпитера), множества комет, а также пояса Койпера.

В нем находятся в основном малые тела, оставшиеся от образования Солнечной системы, и несколько карликовых планет (в их числе Плутон, который чуть более десятилетия назад был разжалован в эту категорию из обычных планет). Пояс Койпера по сути похож на пояс астероидов, но значительно превосходит последний в размерах и массе.

 
NASA

Чтобы представить себе масштабы этой части солнечной империи, принято использовать астрономические единицы (а.е.) - одна единица равняется примерному расстоянию от Земли до Солнца (около 150 млн км или 93 млн миль).

Последняя планета - Нептун - удалена от звезды на расстояние около 30 а.е. До пояса Койпера - 50 а.е.

Прибавьте к этому еще чуть более 70 астрономических единиц - и мы подходим к первой условной границе Солнечной системы, которую и пересек "Вояджер", - внешней границе гелиосферы.

Все вышеописанное - планеты, пояс Койпера и пространство за ним - находится под влиянием солнечного ветра - непрерывного потока заряженных частиц (плазмы), исходящего от солнечной короны.

Этот постоянный ветер формирует вокруг нашей системы некое подобие вытянутого пузыря, который "вытесняет" межзвездную среду и называется гелиосферой.

По мере удаления от Солнца скорость движения заряженных частиц снижается, поскольку они сталкиваются со все большим противодействием - натиском межзвездной среды, в основном состоящей из облаков водорода и гелия, а также более тяжелых элементов, например углерода, и пыли (всего около 1%).

Когда солнечный ветер резко замедляется и его скорость становится меньше скорости звука, наступает первая граница гелиосферы, называемая границей ударной волны (по-английски - termination shock). "Вояджер-1" пересек ее еще в 2004 году (его брат-близнец "Вояджер-2" - в 2007) и, таким образом, вошел в область под названием гелиощит (heliosheath) - некое "преддверие" Солнечной системы. В пространстве гелиощита солнечный ветер начинает взаимодействовать с межзвездной средой, и их давление друг на друга сбалансировано.

Однако по мере продвижения дальше сила солнечного ветра начинает ослабевать еще больше и в конечном итоге полностью уступает внешней среде - эту условную внешнюю границу называют гелиопаузой. Преодолев ее в августе 2012 года, "Вояджер-1" вошел в межзвездное пространство и - если брать в качестве границ пределы наиболее ощутимого влияния солнечного ветра - покинул Солнечную систему.

Но на самом деле, согласно общепринятому в научной среде толкованию, зонд не проделал еще и половины пути.

Как ученые поняли, что "Вояджер-1" преодолел гелиопаузу?

Поскольку "Вояджер" исследует пространства, ранее никем не изведанные, понять, где именно он находится - довольно сложная задача.

Ученым приходится ориентироваться на данные, которые с помощью сигналов зонд передает на Землю.

"Никто до этого никогда не был в межзвездном пространстве, поэтому это все равно что путешествовать с помощью неполных путеводителей", - объяснял научный сотрудник проекта "Вояджер-1" Эд Стоун.

Когда информация, полученная от аппарата, стала указывать на изменившуюся вокруг него среду, ученые впервые заговорили о том, что "Вояджер" близок к выходу в межзвездное пространство.

Наиболее простой способ определить, преодолел ли аппарат заветную границу, - измерить температуру, давление и плотность плазмы, окружающей зонд. Однако прибор, способный делать такие замеры, перестал работать на "Вояджере" еще в 1980 году.

Специалистам пришлось ориентироваться на другие два инструмента: детектор космических лучей и плазменный волновой прибор.

В то время как первый периодически фиксировал рост уровня космических лучей галактического происхождения (и падение уровня солнечных частиц), именно плазменному волновому прибору удалось убедить ученых в местонахождении аппарата - благодаря так называемым корональным выбросам массы, которые происходят на нашей звезде.

При ударной волне, следующей за выбросом на Солнце, устройство фиксировало колебания электронов плазмы, с помощью которых можно было определить ее плотность.

"Эта волна заставляет плазму как будто бы звенеть, - объяснял Стоун. - В то время как плазменный волновой прибор позволил нам измерить частоту этого звона, детектор космических лучей показал, откуда пришел этот звон - от выбросов на Солнце".

Чем выше плотность плазмы, тем больше частота колебаний. Благодаря второй на счету "Вояджера" волне, в 2013 году ученые смогли узнать, что зонд уже более года летит сквозь плазму, плотность которой в 40 раз превышает предыдущие замеры. Звуки, записанные при этом "Вояджером", - звуки межпланетной среды - можно послушать здесь.

"Чем дальше двигается "Вояджер", тем выше становится плотность плазмы, - говорил Эд Стоун. - Потому ли это, что межзвездная среда становится все плотнее по мере отдаления от гелиосферы, или это результат самой ударной волны [от солнечной вспышки - Би-би-си]? Пока мы не знаем".

Третья волна, зафиксированная в марте 2014 года, показала незначительные по сравнению с предыдущими изменения в плотности плазмы, что подтверждает нахождение зонда в межзвездном пространстве.

Итак, "Вояджер-1" выбрался за пределы наиболее "густонаселенной" части Солнечной системы и сейчас находится в 137 астрономических единицах, или 20,6 млрд км от Земли. Проследить за ним можно здесь.

Так когда же он наконец окончательно покинет систему? По расчетам НАСА, примерно через 30 тысяч лет.

Дело в том, что Солнце, аккумулируя в себе подавляющую часть массы всей системы - 99%, распространяет свое гравитационное влияние далеко за пределы пояса Койпера и даже гелиосферы.

Примерно через 300 лет "Вояджер" должен встретиться с Облаком Оорта - гипотетической (потому что никто никогда его не видел и ученые имеют лишь теоретическое представление о нем) сферической областью, опоясывающей Солнечную систему.

В ней "живут", притягиваясь к нашей звезде, в основном ледяные объекты, состоящие из воды, аммиака и метана, - они, по версии ученых, изначально сформировались намного ближе к Солнцу, но затем были отброшены на задворки системы гравитацией планет-гигантов. На то, чтобы обратиться вокруг нас, им требуются тысячелетия. Считается, что некоторым из этих объектов удается попасть обратно, - и тогда мы замечаем их в форме комет.

Одни из недавних примеров - кометы C/2012 S1 (ISON) и C/2013 A1 (Макнота). Первая распалась после прохождения мимо Солнца, вторая прошла вблизи Марса и покинула внутреннюю область системы.

Гипотетическая граница Облака Оорта и есть последняя граница Солнечной системы - предел гравитационного могущества нашей звезды, или сфера Хилла.

За пределами Облака Оорта нет ничего - только свет, исходящий от Солнца и подобных ей звезд.

Через несколько лет ученые начнут постепенно отключать приборы "Вояджера-1". Последний, как ожидается, прекратит работать около 2025 года, после чего зонд будет отправлять данные на Землю еще несколько лет, а затем продолжит свое путешествие в тишине.

Чтобы достичь пределов сферы Хилла, солнечному свету, перемещающемуся с максимально известной нам скоростью, нужно около двух лет. До ближайшей к нам звезды - Проксима Центавры - он доходит примерно за четыре года. "Вояджеру", если бы его путь пролегал к ней, понадобилось бы более 73 тысяч лет.

Миссия "Вояджеров"

• Несмотря на название, первым был запущен "Вояджер-2" - 20 августа 1977 года. "Вояджер-1" стартовал 5 сентября того же года
• Официальная миссия зондов заключалась в изучении Юпитера и Сатурна

• Аппаратам удалось изучить и сделать фотографии Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна и их спутников, а также провести уникальные исследования системы колец Сатурна и магнитных полей планет-гигантов
• "Вояджер-1" затем приступил к своей "межзвездной миссии" и стал самым далеким от Земли объектом, которого касался человек. Теперь в его задачу входит иследование гелиопаузы и среды за пределами влияния солнечного ветра. "Вояджер-2" в ближайшие годы также должен пересечь гелиопаузу
• На борту обоих "Вояджеров" есть так называемые Золотые пластинки с записью звуковых и видеосигналов. На них воспроизведена карта пульсаров с отметкой положения Солнца в Галактике - на случай если обнаруживший ее захочет нас найти. Кроме того, специалисты включили в записи все, что по их мнению, нужно знать представителям внеземной жизни о человечестве: фотографии, приветствия на 55 языках, в том числе древнегреческом, телугу и на кантонском диалекте, звуки земной природы (вулканы и землетрясения, ветер и дождь, птицы и шимпанзе, человеческие шаги, стук сердца и смех), а также музыкальные произведения - от Баха и Стравинского до Чака Берри и Блайнд Вилли Джонсона и традиционных песнопений.