Куда дует солнечный ветер?

Чем наполнена межпланетная среда? Что такое гелиопауза? Как можно рассчитать солнечный ветер? Может ли он сдуть все с поверхности нашей планеты? Какой практический выход дают все эти знания? Об этом рассказывает профессор РАН Владислав Валерьевич Измоденов, заведующий лабораторией физики межпланетной среды Института космических исследований РАН.

— Чем наполнена межпланетная среда?

— Межпланетная среда наполнена солнечным ветром. Главное, чем мы занимаемся, — изучаем глобальную структуру гелиосферы (области, которая занята солнечным ветром), ее границы и то, как солнечный ветер взаимодействует с межзвездной средой. Наша солнечная система находится не в вакууме, а движется сквозь межзвездное облако, и главная тематика нашей лаборатории — как солнечный ветер взаимодействует с межзвездной средой.

— Каким же образом они взаимодействуют?

— Там достаточно сложная область взаимодействия, но вот самое простое объяснение. Представим два потока газа или жидкости: например, одна жидкость синяя, другая красная. Когда они сталкиваются, появляется граница, разделяющая их. В нашем случае эта граница называется гелиопаузой — она отделяет солнечный ветер от межзвездной среды. В магнитной гидродинамике есть понятие тангенциального разрыва. Вот гелиопауза и служит тангенциальным разрывом. И солнечный ветер, и межзвездная среда представляют собой сверхзвуковые потоки. Вы, наверное, знаете: если самолет движется со сверхзвуковой скоростью, перед ним образуется ударная волна, это можно услышать. Получается, что гелиопауза обтекается сверхзвуковым солнечным ветром, а солнечный ветер — это водородная плазма из электронов и протонов, которая движется со сверхзвуковой скоростью.  Она ударяется о гелиопаузу, образуется гелиосферная ударная волна.

То же самое с межзвездной стороны: сверхзвуковой межзвездный ветер взаимодействует с гелиопаузой, образуется еще одна ударная волна — получается газодинамическая структура с тангенциальным разрывом и двумя ударными волнами. Это сложная структура. Интересно, что такая структура была предложена в 1970 г. нашими советскими учеными — моим учителем Владимиром Борисовичем Барановым вместе с Константином Васильевичем Краснобаевым и Андреем Геннадьевичем Куликовским. Тогда еще не знали, что представляет собой межзвездная среда, — это была чисто теоретическая работа.

— А сейчас она уже не только теоретическая?

— Да. Эта работа вышла в 1970 г. в «Докладах академии наук СССР», а в 1977 г. были запущены два космических аппарата — «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые выполнили свою главную миссию по изучению планет и после этого направились в сторону межзвездной среды. В 2004 г. «Вояджер-1» пересек гелиосферную ударную волну. А до этого обсуждали, есть ли она там вообще: ведь солнечный ветер там очень разреженный…

— Сомневались в ее существовании?

— Конечно. Все время были сомнения по этому поводу. Работа теоретическая: решили уравнения, получили, что такая структура должна быть. И она подтвердилась: «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пересекли и внутреннюю ударную волну, и гелиопаузу и сейчас находятся в межзвездной среде.

— Какие новости сейчас?

— «Вояджер-1» сейчас борется за выживание, потому что это очень старые космические аппараты.

— Космические долгожители.

— Это фантастическая миссия. Они работают почти 50 лет, передают очень интересную информацию. В основном мы знаем о том, что происходит на границе гелиосферы, из данных «Вояджеров». До сих пор какие-то данные мы еще получаем и пытаемся осознать, потому что вопросов еще очень много. Далеко не все понятно.

— А что непонятно?

— Это вопросы очень специальные. Например, такой вопрос: после пионерской работы в 1970 г. модель очень сильно усложнилась. Сейчас она состоит из уравнений магнитной гидродинамики, из кинетического уравнения. Это очень сложная модель, и, чтобы все посчитать, мы используем суперкомпьютеры. Это целая история. Но она основана на фундаментальных законах. Если мы посчитаем в рамках нашей модели, то получим, что толщина ударного слоя, то есть расстояние между ударной волной и гелиопаузой, должно быть примерно 50 астрономических единиц, а в реальности она примерно в два раза меньше, тоньше. Этот вопрос, почему так происходит, открыт до сих пор.

— Какие предположения?

— У нас даже вышло несколько статей по этому поводу. Есть несколько гипотез. Чтобы толщина области уменьшилась, энергия из этой области должна куда-то «эвакуироваться». Один из предположенных механизмов — через энергичные нейтральные атомы. Вся эта структура очень интересная, ведь межзвездная среда состоит не только из заряженных частиц. Есть еще атомы водорода, и они проникают внутрь гелиосферы. Их длина свободного пробега больше или сопоставима с характерным размером этой задачи. Дальше они взаимодействуют с солнечным ветром посредством перезарядки, и в этой области — в ударном слое между гелиосферной ударной волной и гелиопаузой — из-за перезарядки образуются атомы больших энергий, сопоставимых с энергией солнечного ветра. Они улетают из этой области и уносят энергию. Это один из механизмов, который мы предложили и который, видимо, только наполовину объяснит этот эффект. Второй механизм, вероятно, связан с диссипацией магнитных полей.

— Что это такое?

— На все эти структуры существенно влияют магнитные поля: и солнечное магнитное поле, и межзвездное. Получается, что на тангенциальном разрыве солнечное магнитное поле и межзвездное соприкасаются. Если у них направления разные, тогда возможно пересоединение этих полей друг на друге, то есть структура магнитных полей будет менять топологию, и в этих частях, где будет пересоединение, тоже произойдет потеря энергии, нужная нам для того, чтобы толщина этой области стала меньше.

— Значит, где-то в межзвездной среде теряется огромное количество энергии?

— Да, но как теряется, еще неизвестно.

— Как вы думаете, когда-нибудь в далеком будущем возможно будет как-то ее использовать, чтобы она не терялась? Согласно градации академика Н.С. Кардашева, который много лет работал в этом здании, первый уровень развития цивилизации — когда она освоила энергию своего светила, второй — своей галактики.

— Энергия, о которой я говорю, — это в основном энергия Солнца. И эту энергию, думаю, мы научимся использовать. Эффективность солнечных батарей, которые сейчас делают, очень хорошая, тут есть прогресс. А вот использовать энергию звездной среды сложнее. Она намного меньше, если говорить о таких масштабах. Этой энергии может быть и много, но на бо́льших масштабах, а на наших, земных, это не так. Солнечный ветер несет в себе гораздо больше энергии. Но тут скорее мы научимся использовать энергию космических лучей, которые приходят из Галактики и влияют достаточно серьезно на тот же земной климат. Это пока плохо исследовано. Хотелось бы понимать, как космические лучи влияют на климат, на погоду, и это учитывать. Гелиосфера выступает своеобразным щитом для космических лучей, она их фильтрует: проникает меньше, чем могло бы, если бы у нас не было гелиосферы.

— Если бы их проникало больше, что бы случилось?

— Это привело бы к изменению климата. Например, известен факт, что примерно 100 тыс. лет назад было глобальное похолодание, и оно могло быть связано с тем, что наше Солнце вошло в межзвездное облако. Размер гелиосферы в этот момент изменился, космических лучей стало проникать больше, а это влияет на облачность и приводит к похолоданию. Тут все связано.

— А сейчас становится теплее. Это результат того, что космических лучей проникает меньше?

— В какой-то доле может быть, но это надо изучать — прямого ответа тут нет. Сейчас потепление связывают еще и с человеческим фактором, хотя есть разные мнения. Но я думаю, что роль космических лучей вторична для таких масштабов.

— Мы коснулись практической задачи: как можно использовать энергию солнечного ветра и для чего нужно изучать космические лучи. А какие еще могут быть практические смыслы у того, чем вы занимаетесь? Почему вообще это так важно изучать?

— Почему изучают гелиосферу и вообще космос? Потому что это интересно, потому что человечество хочет понять, как все устроено. Постепенно ученые осознали, что для понимания глобальной структуры гелиосферы нужно учитывать влияние межзвездных атомов водорода, и в 1993 г. у нас в лаборатории была разработана двухкомпонентная модель, в которой учитывались и заряженные частицы, и нейтральные. И в рамках этой модели был получен чисто теоретический неожиданный эффект: перед гелиопаузой есть водородная стенка. В ней концентрация атомов водорода примерно в два раза больше, чем в межзвездной среде.

Параметры (концентрация, скорость, температура) межзвездного водорода в этой стенке немного отличаются от параметров в межзвездной среде. Эта водородная стенка находится на расстоянии примерно 120–140 астрономических единиц от Солнца — очень далеко, «Вояджеры» туда в то время еще не долетели.

Однако очень скоро после теоретического открытия водородной стенки оказалось, что ее «следы» видны в данных, полученных на космическом телескопе «Хаббл». На «Хаббле» были измерены спектры поглощения в линии Лайман-альфа. Это излучение от других звезд, которое, перед тем как быть измеренным, проходит через межзвездную среду, а также через эту водородную стенку. И часть этого излучения поглощается в областях, через которые проходит. Оказалось, что если учесть только межзвездную среду, то объяснить измеряемый спектр поглощения нельзя, а если взять параметры водородной стенки, которые получились теоретически, то спектр идеально совпадает с тем, что измеряется. Здорово, теперь мы больше знаем о гелиосфере! Но оказалось, что в этом спектре с другой его стороны есть точно такая же область поглощения от водородной стенки около другой звезды. Это поглощение около другой звезды позволяет нам изучить свойства ветров у других звезд.

— Эти ветра там другие?

— Звезды солнечного типа похожи на наше Солнце, но все же другие. Параметры полностью не совпадают. И возраст звезд разный. Измеряя параметры звездных ветров разных звезд солнечного типа таким косвенным образом, можно показать, как меняется солнечный ветер со временем. И это тоже важно для нас. Задавая вопрос, как меняется солнечный ветер со временем, мы можем изучать, как он влиял на атмосферы планет в прошлом, потому что если солнечный ветер сильный, он может сдуть всю атмосферу планеты.

— Такое встречалось в ваших исследованиях?

— В наших нет, но я отвечаю на вопрос о том, какая польза от нашей деятельности. Мы можем определить, как менялись параметры солнечного ветра. И дальше мы или другие люди могут изучать, как это влияло на атмосферы планеты, в частности почему у Земли такая атмосфера, а на Марсе или Венере — совершенно другая. Это же непонятный, открытый вопрос. Это может быть обусловлено историей, связанной и с временно́й эволюцией параметров солнечного ветра.

— Удалось ли вам тут прийти к каким-то новым выводам? Может быть, солнечный ветер усилится в ближайший миллион лет и все у нас сдует?

— Нет, вроде ничего такого нам не грозит. Скорее наоборот, он был более сильным раньше. Это важные, передовые исследования. Все это надо продолжать делать. Спектров на «Хаббле» измерено сейчас уже порядка 20, но все равно надо продолжать. Это перспектива исследований на будущее.

— В чем оригинальность ваших исследований?

— Мы теоретики, разрабатываем модели гелиосферы и астросферы. Модели можно разрабатывать по-разному: можно сделать что-то из подручных средств, а можно начинать с фундаментальных принципов. Если мы, допустим, знаем, что длина свободного пробега атомов водорода большая и уравнение гидродинамики использовать нельзя, тогда надо строить более сложную модель. Наша модель комбинированная: уравнения магнитной гидродинамики для плазмы и кинетическое уравнение для атомов. Это приоритет нашей группы. Сейчас наши американские коллеги пытаются сделать что-то аналогичное, но наши наработки позволяют нам все это считать более точно. Тут такая проблема: кажется, у нас астрономические расстояния, поэтому ошибемся мы на порядок величины — ничего страшного не случится.

— Это не так?

— Если расстояние до той области, которая нас интересует, 100 астрономических единиц, то одна астрономическая единица — это один процент. «Вояджер» за год пролетает три астрономические единицы. Если мы хотим сравнивать положение и всю эту структуру с «Вояджерами», нам надо иметь точность модели порядка нескольких процентов — один-три. Это достаточно серьезные требования к модели. Несмотря на то что это астрофизика, нам приходится все это моделировать с достаточно большой точностью.

— «Вояджеры» и «Хаббл», тоже достаточно старый телескоп, — это ваш единственный источник информации? 

— В 2007 г. был запущен космический аппарат IBEX — Interstellar Boundary Explorer, который не летел в эту область, это спутник Земли. Он летает по вытянутой орбите, там стоят два небольших прибора, которые позволяют измерять энергичные атомы, прилетающие из границы гелиосферы. И это еще один источник информации.

— Вам достаточно этих источников?

— Мало, конечно. Отдельные эксперименты на разных космических аппаратах тоже есть. На «Улиссе» был интересный прибор, который измерял захваченные протоны, продукт перезарядки звездных нейтралов. Первое измерение — то, что межзвездная среда состоит из нейтральной компоненты, которая проникает внутрь, — было произведено даже на российских космических аппаратах «Прогноз-6», «Прогноз-7». Получилось так, что рассеянное солнечное Лайман-излучение отражается на межзвездных атомах и попадает в прибор, и по свойству отраженного излучения мы можем судить о свойствах этих атомов. Информацию собираем по крупицам с разных аппаратов, но в итоге информации хватает, чтобы достаточно хорошо знать эту структуру. Вопросы, конечно, есть, но глобально мы представляем, что там происходит.

— Не бывает такого, что информация с одного прибора противоречит другой?

— Все время бывает, и это самое интересное.

— Это не плохо, а, наоборот, хорошо?

— Это интересно, потому что дает информацию о том, что́ нам нужно улучшить в модели, что́ у нас отсутствует. Вот я вам рассказал про толщину ударного слоя — если бы все совпало, мы бы, конечно, радовались. Пересечение внутренней ударной волны мы предсказали с точностью до одной астрономической единицы — это здорово. Но когда что-то не совпадает, это еще интереснее, потому что тогда надо думать и обсуждать, почему это так. Буквально на днях мы с аспирантами это обсуждали. Один мой аспират проанализировал данные по межзвездной пыли с космического аппарата «Улисс», и какие-то части данных понятно, как объяснить, какие-то — нет. Это самое интересное: тут начинается придумывание новых эффектов.

Конечно, информации желательно получать больше, и в мире есть проекты будущих миссий, например Interstellar Probе в США. Это фактически новый «Вояджер», который полетит туда же к границе гелиосферы, с более современным оборудованием, уже с той информацией, которую мы знаем. В Китае собираются запустить три аппарата для исследования границ гелиосферы, причем в разные стороны.

— У нас нет никаких проектов?

— Пока таких проектов, которые были бы реальны, нет, но есть планы. Например, запустить большой аппарат «Нуклон» — он полетит к Венере, но можно поставить приборы, которые по пути получали бы информацию о межзвездной среде и границе гелиосферы. Было бы очень хорошо поставить прибор на лунные аппараты, но, к сожалению, это не удалось, хотя активно обсуждали. Вообще надо запускать специализированные большие проекты. Я думаю, что Interstellar Probе американцы своими силами все равно не сделают, в итоге это будет международный проект.

— Вы не можете увидеть космическую среду: как она движется, какие процессы там происходят. Вам не бывает обидно, что все это приходится решать на компьютере, а не участвовать в каком-нибудь грандиозном космическом эксперименте?

— Если говорить про меня, я теоретик, окончил мехмат МГУ, поэтому я очень люблю уравнения. Если удается решить уравнения, это уже очень ценно и интересно. Вообще представьте: в 1970 г. В.Б. Баранов с соавторами разработали эту модель гелиосферы. Никто до этого не предполагал, что есть какие-то ударные волны, гелиопауза, и вдруг через 20–30 лет это теоретическое предсказание оправдывается. Более того, положение ударной волны оказывается очень хорошо совпадающим с теорией — это же прекрасно!

— Баранов застал этот момент?

— Да, он очень радовался. Правда, очень скептически отнесся к пересечению гелиопаузы.

— Почему?

— Может, с теорией не совпадало. Он говорил: экспериментаторы сами не понимают, что измерили. И до последнего времени он сомневался. Надо сказать, не только он — еще есть два или три классика, пионеры этой науки, которые сомневаются, что «Вояджеры» вообще пересекли гелиопаузу. Тут интрига сохраняется, хотя бóльшая часть научного сообщества считают, что все-таки пересекли.

— Это как дискуссия, летали американцы на Луну или не летали. Хотелось бы все это увидеть, чтобы получше представить.

— Мы можем это увидеть в данных.

— А хочется увидеть, как в кино: чтобы какой-нибудь аппарат все это заснял и показал, как это происходит.

— Тут приходит на ум забавная история, как В.Б. Баранов давал на эту тему интервью одному из СМИ, все рассказал, а снизу была картинка с гелиопаузой и ударными волнами и подписью: «Фото NASA».

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ