В колонках играет - Subwave-Breakbeat Co Uk Podcast-20080111

Настроение сейчас - Атмосферное погружение.

/
Наши галактические «соседи», находящиеся внутри одного из самых крупных галактических рукавов – рукава Ориона. Большинство ярких звезд на небесной сфере расположены вдоль пояса Гульда, который одновременно показывает распределение областей звездообразования в рукаве Ориона.

Человечество по привычке считает Солнечную систему, наш родной дом, довольно спокойным местом. Здесь люди укрываются за толстым пылевым поясом от мощных ультрафиолетовых лучей центра Галактики и с безопасного расстояния наблюдают за сверхмощными гамма вспышками, обжигающим излучением молодых и массивных звезд… Изредка возникают солнечные вспышки, внезапно насыщающие окрестности Солнца частичками солнечного ветра. Мы можем удобно наблюдать пересечение небесной сферы привычными астероидами и хвостатыми кометами. Это все наши давние соседи, практически наши близкие знакомые. И вдруг, оказывается, что среда, в которой движется наша Земля, битком набита совершенно неизученными пришельцами - частичками межзвездного вещества! Да, согласно последним открытиям ученых, эти галактические визитеры непрерывно движутся через межпланетное пространство и даже могут сталкиваться с планетами! И хотя каждая частичка в отдельности микроскопическая, их полная масса просто огромна! Как эти частички взаимодействуют с планетными атмосферами? Влияют ли они на нашу планету? Этого никто не знает. Эти вопросы приобретают особую важность в свете того факта, что межзвездное пространство - ближайшее окружение Солнца - имеет совершенно неоднородный состав. Обнаруженные в пределах нашей относительно малой зоны космоса газово-пылевые туманности имеют разнообразнейшие формы ("облака", "нити", "узлы", "петли", "раковины"), огромный разброс в размерах (от десятых долей до сотен световых лет), температурах, давлениях и иных характеристиках. Теперь становится очевидным, что за 5 миллиардов лет своей жизни, в течение которых Солнце постоянно двигалось по своей орбите вокруг Галактики, оно должно было испытать на себе воздействие целого ряда разнообразных галактических сред. Как Солнечная система реагирует на изменения в окружающей галактической среде? Возможно, ответ частично кроется в горячем, ионизированном солнечном ветре, дующем с поверхности нашего светила и днем и ночью. Как Вам известно, солнечный ветер это переменное явление, изменяющееся в соответствии с одиннадцатилетним периодом солнечной активности. Солнечный ветер, оказывая постоянное давление на вторгающиеся в нашу систему межзвездные частички, как бы регулирует их поток. Кроме того, поток частичек изменяется вследствие движения Солнца по галактической орбите. И определение сложных зависимостей этих динамических явлений это поистине выдающаяся задача! В этой статье подробно и на основании самых последних данных рассказывается о том, что же все-таки удалось выяснить ученым о нашем ближайшем галактическом окружении. Мы привыкли считать окружающие нас звезды и туманности относительно неподвижными, ведь на фотографиях, сделанных сотни лет назад они выглядят точно также как и на современных снимках. Создается впечатление, что космос будто "замер". На самом деле это впечатление очень обманчиво, ведь сейчас, как и многие миллионы лет назад, звезды продолжают свой фантастический танец среди туманностей: Блуждавшие миллиарды лет они гибнут в ярчайших вспышках, давая возможность все новым и новым поколениям звездных "младенцев" сформироваться в мягких объятиях родительских глобул... Молодая массивная звезда, разгорающаяся, "набирающаяся сил", производит жестокий звездный ветер, который разгоняет в стороны вещество молекулярного облака, формируя в нем округлую полость. Во время взрыва такой звезды как сверхновой, мощная ударная волна многократно уплотняет окружающий материал и отбрасывает его во все стороны от места взрыва. Получившиеся в результате плотные "облачка" могут пройти сквозь родительское газово-пылевое облако наружу. Атомы в таких "облачках" ионизируются звездным излучением и столкновением друг с другом. Некоторые из образовавшихся объектов могут пронизываться сильными магнитными полями, которые способны захватывать многочисленные ионы вокруг себя. Приблизительно такую многогранную, насыщенную, изменчивую картину нужно представить и осознать для понимания происхождения и эволюции нашего ближайшего галактического окружения.
Относительные движения Солнца (желтая линия) и местного межзвездного облака (фиолетовая линия). Получившееся в результате относительное движение местного межзвездного ветра показано белой линией.

Как вы знаете, наше Солнце по отношению к близким звездам двигается со скоростью 16,5 км/сек. Его полет (а заодно и всей Солнечной системы) направлен к точке, лежащей на границе созвездий Геркулеса и Лиры, примерно под углом 25 градусов к плоскости Галактики. На преодоление 50 световых лет пространства с такой скоростью потребуется один миллион лет. Обращение нашего светила вокруг центра Галактики носит колебательный характер: каждые 33 миллиона лет оно пересекает галактический экватор, затем поднимается над его плоскостью на высоту в 230 световых лет и снова опускается вниз, к экватору. На совершение полного оборота Солнцу требуется 250 миллионов лет. Но следует различать движение Солнца относительно центра Галактики и движение относительно близких звезд. Ведь, говоря о скорости, к примеру, самолета, мы же не учитываем скорость обращения Земли вокруг Солнца? Так и астрономы не обращают внимание на галактическую орбитальную скорость при рассмотрении скорости движения нашего светила через местное звездное население. Солнечную систему окружает местное межзвездное облако, теплое и плотное, которое, как и все облака, состоит из газа и пыли. Причем масса пыли составляет всего 1% от массы всего межзвездного облака. А газ в нем это на 90% водород и на 9.99% - гелий. Более тяжелые элементы в сумме дают не более 0.01% по массе. Солнце расположено внутри этого облака в районе, который иногда называют местным "пузырем", представляющим собой большое и относительно пустое пространство. Между прочим, в космосе настолько пусто, что это даже вообразить сложно! Представьте: самый лучший, самый "пустой" современный лабораторный вакуум в 10000 раз плотнее обычных межзвездных облаков, (вполне видимых на фотографиях сделанных с помощью телескопов) которые в тысячи раз плотнее местного "пузыря"! Плотность этого "пузыря" всего лишь 0.001 атом в кубическом сантиметре! Зато температура у него – действительно астрономическая: около миллиона градусов по кельвину! По сравнению с ним окружающее "пузырь" местное межзвездное облако слегка теплое, его температура 7000 градусов по кельвину.
Галактическое окружение Солнца на расстояниях до 1500 световых лет содержит газовые облака с различными плотностями и давлениями. На протяжении последних нескольких миллионов лет Солнце проходило через местный «пузырь», а в данный момент Солнце пересекает оболочку из теплого, частично ионизированного метериала, дующего из района звездообразования в ассоциации Скорпиона-Центавра.

Местный "пузырь" опоясан большим кольцом молодых звезд и зон, в которых продолжается звездообразование. Вышеупомянутое кольцо известно под названием пояс Гульда. Его можно увидеть ночью как полосу ярких звезд, протянувшуюся от Ориона к Скорпиону и наклоненную под углом в 20 градусов к галактической плоскости. Северный полюс пояса Гульда проецируется на небесную сферу близко к так называемому отверстию Локмана, зоне, содержащей наименьшее количество межзвездного газа между Солнцем и внегалактическим космосом. Активное звездообразование на границах местного "пузыря" регулирует распределение межзвездного вещества. Самый близкий район формирования новых солнц находится на расстоянии приблизительно 400 световых лет от Солнца (на окраинах местного "пузыря") в ассоциации Скорпион-Центавр. Молекулярные облака в этом районе значительно холоднее (менее 100 градусов кельвина) и во много раз плотнее (более 1000 атомов в кубическом сантиметре), чем местное межзвездное облако. Определенная учеными траектория движения Солнца в Галактике показывает, что Солнце перемещается через пояс Гульда, находясь в области очень низкой плотности межзвездного вещества, уже в течении нескольких миллионов лет. Вероятность столкновения с большим и плотным межзвездным облаком в этой области очень мала. И, поскольку, в данный момент мы медленно движемся к выходу из местного "пузыря", скорее всего на протяжении ближайшего миллиона лет столкновений с другими газово-пылевыми облаками не будет. Но стоит задуматься над тем, как отразится на климате Земли возможное столкновение с межзвездным облаком в пусть далеком, но все же реальном будущем. Кстати, интересно – то, что люди появились на Земле пока Солнце путешествовало вместе с нами через относительно пустую область космоса - это совпадение? Несмотря на отсутствие массивных межзвездных облаков на расстояниях до 100 световых лет, все-таки похоже, что местное галактическое окружение может незаметно для нас измениться за гораздо более короткий срок времени. Следует заметить, что низкая плотность местного пузыря позволяет легко расширяться в свободное пространство ударным волнам и выброшенным оболочкам сверхновых звезд, проносящимся мимо Солнца. Действительно, у ученых есть сведения о том, что последние 250 000 лет Солнечная система испытывала воздействие непрерывного потока межзвездных частичек со стороны ассоциации Скорпиона-Центавра. Однако, существуют подозрения, что ближайшее галактическое окружение Солнца могло измениться даже за последние 2000 лет! Пока подобные заявления делаются неуверенно, поскольку у астрономов нет еще полного понимания сложной структуры местного межзвездного облака. Облако вокруг Солнечной системы является частью материала, выброшенного из ассоциации Скорпиона - Центавра, и движущегося перпендикулярно направлению движения Солнца (относительно ближайших звезд). Это представление подтверждается наблюдениями, которые показывают, как поток межзвездных частичек влетает в Солнечную систему со скоростью 26 километров в секунду из области, лежащей вдоль эклиптики на расстоянии 15 градусов от направления на центр Галактики.
Остаток сверхновой, вспыхнувшей в созвездии Парусов 11000 лет назад. Она представляет собой оболочку из горячих, ионизированных частиц, быстро двигающуюся относительно Солнца. Она будет медленно остывать, и рассеиваться в пространстве на протяжении нескольких миллионов лет.

Образование местного "пузыря" и местного межзвездного облака все еще остается открытым вопросом. Некоторые астрономы полагают что местный "пузырь" и местное межгалактическое облако образовались в области пространства между спиральными рукавами нашей Галактики после очищения ее от плотной межзвездной материи могучими ударными волнами, возникающими в процессе звездообразования в созвездиях Скорпиона, Центавра и Ориона. Иные ученые не сомневаются, что причиной образования этого относительно свободного пространства стала вспышка сверхновой в окрестностях Солнца. Происхождение самого термина "пузырь" связано с идеей, что Солнечная система находится внутри остатка сверхновой.
Поглощение ультрафиолетового света по лучу зрения по направлению к звезде Эта Большой Медведицы помогает выяснить характеристики межзвездного газа, включая его состав и скорость относительно Солнца. Из рисунка видно, что линии поглощения ультрафиолета (на волне 1.33 ангстрема) создаются ионизированным углеродом, находящимся в межзвездном облаке между звездой и Землей. Доплеровское смещение линий поглощения показывает, что атомы углерода двигаются с различными скоростями относительно Солнца. Асимметричность линий поглощения показывает, что существуют как минимум два облака с различными скоростями движения. Слабая линия поглощения (красная линия) является следствием столкновений ионов углерода с электронами в облаке. Более сильная линия поглощения (черная линия) напрямую зависит от степени ионизации газа в облаке.

Местный межзвездный ветер, дующий через нашу планетную систему, должен пройти сквозь другой ветер - ветер, дующий от Солнца. Солнечный ветер представляет собой горячую плазму, состоящую из заряженных частиц (в основном это протоны, ядра гелия и электроны) и уносящуюся от Солнца с высокой скоростью. Источником этого ветра является солнечная корона, раскаленная до миллионов градусов. Ее как раз очень хорошо видно во время полного солнечного затмения в виде восхитительного венца, окружающего солнечный диск. Солнечный ветер также содержит магнитное поле, спирально закрученное вследствие вращения Солнца. Солнечный ветер выдувается из короны со сверхзвуковой скоростью и достигает орбиты Плутона, прежде чем встречает на своем пути межзвездный ветер. По мере приближения солнечного ветра к границам солнечной системы его плотность и скорость уменьшаются. На расстояниях 80-100 астрономических единиц формируется ударная зона, образование которой связано с переходом скорости солнечного ветра от сверхзвуковой к дозвуковой. Окончательная остановка солнечного ветра происходит в зоне торможения, расположенной в 130-150 астрономических единицах от Солнца. Современная модель гелиосферы предполагает, что она по форме очень похожа на капельку воды. Такая красивая форма обусловлена в основном обтеканием межзвездного ветра плазмы солнечного ветра. Внутрь гелиосферы проникают по большей части нейтральные межзвездные атомы водорода и гелия. Причем замечательно, что 98% газа внутри гелиосферы (исключая газ, связанный с кометами и планетарными телами) составляет межзвездный газ. Этот факт становится очевидным, если учесть, что плотности солнечного и межзвездного ветра становятся равными между собой в районе орбиты Юпитера. Впервые межзвездный газ в Солнечной системе был открыт с помощью спутника, следящего за нейтральным водородом в верхних слоях атмосферы Земли. В межзвездном космическом пространстве водород имеет низкую температуру, поэтому его электрон занимает положение, соответствующее уровню минимальной энергии. Но когда нейтральный межзвездный атом водорода приближается к Солнцу, интенсивное излучение солнечной атмосферы передает энергию этому атому и его электрон переходит в положение на орбите, соответствующее уровню более высокой энергии. При переходе электрона обратно в состояние с низкой энергией он излучает фотон в ультрафиолетовом диапазоне, который и фиксируется с помощью аппаратуры спутника.
Солнечный ветер, истекающий из солнечной короны, заполняет пространство вокруг Солнца, называемое гелиосферой и взаимодействует с межзвездным газом. Заряженные частица (белые линии) в большинстве ионы водорода, отражаются границей гелиосферы, а нейтральные частички (розовые дуги), в основном атомы гелия и водорода, проникают в гелиосферу. Солнечный ветер, дующий от Солнца, показан белыми линиями внутри гелиосферы. В результате взаимодействия с межзвездным газом он формирует «гелиевый хвост», тянущийся за Солнечной системой. Межзвездный гелий (розовые дуги), проникающий в гелиосферу, фокусируется солнечной гравитацией в конус. Около 10% межзвездных частичек это атомы гелия. Солнце проходит через гелиевый конус каждый год в конце ноября.

Со времени этого открытия было обнаружено много других явлений, свидетельствующих о присутствии межзвездного газа в Солнечной системе. В пределах нескольких астрономических единиц от Солнца большая часть межзвездных атомов водорода ионизирована. Атомы гелия успевают приблизиться к Солнцу на расстояние в одну астрономическую единицу, прежде чем они ионизируются солнечным излучением, а отдельные атомы совсем избегают ионизации. Поток межзвездных атомов, движущихся в сторону Солнца, фокусируется солнечной гравитацией в конус, через который Земля проходит каждый год в конце ноября. Ионизированные атомы гелия подхватываются потоком солнечного ветра и уносятся к границе гелиосферы. Поскольку такие "подхваченные" ионы являются продуктами взаимодействия между солнечным ветром и межзвездным веществом, измерение их количества и характеристик является ключиком к разгадке свойств межзвездного вещества. Открытие "подхваченных" ионов произошло в середине 1980х годов. После достижения ионами гелия ударной зоны на границе гелиосферы, они ускоряются и образуют компонент, известный как "аномальная составляющая космических лучей". "Аномальными" они являются потому, что их энергии недостаточны для проникновения в солнечную систему снаружи, указывая, что они должны были сформироваться внутри солнечной системы. Другими словами, мы наблюдаем, как эти частицы буквально носятся внутри гелиосферы: они влетают в солнечную систему как нейтральные атомы, двигаются к границе гелиосферы как "подхваченные ионы" и снова возвращаются внутрь солнечной системы как "аномальные космические лучи".
Моделирование гелиосферы показывает, что она станет нестабильной после возможного попадания в значительно более плотное газово-пылевое облако, чем то, в котором она движется сейчас. Такие изменения могут даже воздействовать на состав атмосфер внешних планет, вплоть до Земли. Количество пылевых частиц, попадающих в Солнечную систему, зависит от размера этих частиц (существуют настолько мелкие частички, что они вообще неспособны проникнуть внутрь). Наиболее крупные частички (размером около 1.4 мкм) фокусируются наподобие межзвездного ветра и Земля проходит через их поток каждый год в конце ноября. Динамика меньших частиц (размерами около 0.2 мкм) зависит от взаимодействия с магнитным полем, в результате которого такие частицы начинают двигаться вдоль магнитных силовых линий.

Но частички размером с атом - это не единственные "пришельцы", залетающие в солнечную систему из космоса. Детекторы пыли, установленные на борту знаменитых космических аппаратов "Улисс" и "Галилео" зафиксировали поток крупных пылевых частичек, двигающихся с той же скоростью и направлением, что и Местный Межзвездный Ветер. Их размер заключен в пределах 0.2 - 6 мкм (меньшие пылевые частички электрически заряжены, поэтому они им не удается проникнуть во внутренние области солнечной системы). Самые крупные частички имеют траектории, совершенно независимые от солнечного ветра или циклов солнечной активности. Почти как атомы гелия, эти частицы фокусируются солнечной гравитацией, и Земля также проходит через их уплотненный поток каждый год в конце ноября. Наше галактическое окружение изменяется, и мы не знаем, какие объекты могут нам встретиться в будущем. Наблюдения соседних межзвездных облаков показывают, что в них существуют небольшие по размерам уплотнения (от 100 до 10000 а.е.), которые могут содержать до 1000 частиц в кубическом сантиметре! При прохождении Солнцем подобной уплотненной туманности, размеры гелиосферы изменились бы просто катастрофически. Компьютерное моделирование такой встречи показывает, что если бы плотность местного межзвездного ветра выросла бы до 10 частиц в кубическом сантиметре, гелиосфера сжалась бы до 15 а. е., а гелиопауза потеряла бы стабильность. Плотность межзвездного водорода на расстоянии 1 а. е. выросла бы до 2х атомов в кубическом сантиметре, что значительно изменило бы состав межпланетной среды, окружающей Землю. При плотности местного межзвездного ветра 1000 частичек в кубическом сантиметре, такие планеты как Сатурн, Уран, Нептун и Плутон полностью погрузились бы в межзвездный газ. Но до расстояния 1 а.е. от Солнца солнечный ветер по-прежнему преобладал бы над межзвездным ветром. Поэтому можно сказать, что Солнечный ветер защищает внутренние планеты от изменений в галактическом окружении Солнца.
Прямое и точное определение всевозможных характеристик межзвездного пространства станет возможным с предполагающимся запуском межзвездного зонда. Современные технологии позволят зонду добраться до гелиопаузы за 15 лет и начать изучение нашего галактического окружения.

Существуют свидетельства, что подобные изменения могли неоднократно происходить в прошлом. Исследования концентрации бериллия-10 (период полураспада 1.5 миллионов лет) в Антарктике обнаружили два всплеска, произошедшие 60000 и 33000 лет назад. Такие всплески объясняются сильным изменением уровня космических лучей, которые могут быть следствием либо вспышки недалекой сверхновой, либо встречей с плотной частью местного межзвездного облака. В пользу возможной вспышке сверхновой говорит обнаружение уровня повышенной концентрации железа-60 в отложениях морского дна. Железо-60 это радиоактивный изотоп железа, образующийся при вспышках сверхновых. Это открытие, возможно, свидетельствует о вспышке сверхновой около 5 миллионов лет назад в пределах 90 световых лет от Солнца. Для исследователей в этой области открываются широчайшие возможности! Ведь понимание взаимодействия межзвездного ветра и солнечного ветра в прошлом и настоящем дало бы возможность прогнозировать поведение гелиосферы в будущем. Значительную помощь прогнозированию окажет составление максимально подробной карты нашего галактического окружения. Но наилучшим способом непосредственного исследования местной межзвездной среды является запуск межзвездного зонда, который смог бы прямо на месте быстро и точно определять состав космической среды и немедленно сообщать на Землю обо всех его изменениях. Качественные оценки свойств местного межзвездного газа на месте, с помощью космического аппарата, необходимы для понимания свойств межзвездных облаков. Потому что, наблюдая облака издалека, в телескоп, мы изучаем сразу большой участок туманности, размером в несколько световых лет и, кроме того, другие облака, отделяющие нас от изучаемого объекта, вносят неточности, мешают измерениям. Разрабатываемый межзвездный зонд будет исследовать природу межзвездного средства и его взаимодействие с солнечным ветром и солнечной системой, обеспечивая детальную информацию на составе, ионизации, магнитных полях, плотности и других физических свойствах облака, окружающего солнце. Вместе с тем, результаты запуска такого зонда мы получим скорее, чем можно предположить. Новые двигатели разгонят зонд до скорости в 14 а.е. в год, поэтому на расстояние в 150 а.е., где будут проводиться основные исследования, корабль будет добираться не более 15 лет. Достижение границ гелиопаузы - это реальный шаг человечества навстречу другим мирам!
Глоссарий:

*

В тексте идет речь о чудовищных температурах газа в тысячи и миллионы градусов. Причины возникновения столь высоких температур кроются в следующем: "Газ может крайне интенсивно нагреваться, поглощая излучение звезды. Но в условиях сверхнизких плотностей, в открытом космосе, отдавать полученную энергию практически некуда, т.к. столкновений с другими атомами происходит очень мало. Поэтому нагретый газ остывает очень медленно и может сохранять высокую температуру длительное время".
*

Возможно, читатель заметит что в космосе звук не распространяется, следовательно какие могут быть рассуждения о сверхзвуковой и звуковой скоростях? Объясняется это таким образом: "Поскольку межпланетное пространство в Солнечной системе все же не совсем пустое, а заполнено (в основном) атомами солнечной короны, то теоретически звук может распространяться в этом пространстве с определенной скоростью. Правда, в столь разряженной среде он очень быстро затухает и поэтому звуки в космосе не слышны".