Обнаружение космическим аппаратом «Вояджер-1» постоянных плазменных волн открывает новые возможности в изучении структуры ближайшего межзвездного пространства на расстояниях вплоть до десятков астрономических единиц.
Почти 11 лет назад Вояджер-1 преодолел беспрецедентный рубеж, став первым рукотворным земным объектом, вошедшим в межзвездное пространство. В то время я еще была студенткой, не придававшей значения столь переломному событию и не представлявшая, что буквально через несколько лет стану частью программы Вояджер-1 в качестве приглашенного исследователя из университета. Пока я занималась освоением базовой программы по физике, Вояджер-1 продирался сквозь межзвездную среду, в подробностях раскрыв детали того, как плазма сталкивается с солнечным ветром и взаимодействует на границе гелиопаузы в массивном процессе уравновешивания давления, защищающем нашу гелиосферу от «Великого потустороннего».
Схема, отражающая относительные траектории миссий Пионер и Вояджер, пролетающих через солнечную систему и выходящих за ее пределы. Источник: NASA
Время от времени корональные выбросы Солнца посылают ударные волны, пересекающие гелиопаузу и вызывающие переходные явления плазменных колебаний, которые и обнаруживает система плазменных волн (PWS) Вояджера-1. Эти явления определяются в спектре PWS как радиоволны, что можно увидеть и услышать на видео ниже. До этого Вояджер-1 на основе этих явлений колебания плазмы измерял плотность межзвездного пространства, поскольку частота колебаний напрямую зависит от плотности плазмы.
Около года назад система PWS Вояджера-1 зафиксировала сигнатуру плазменных колебаний на уровне кГц, что позволило команде PWS нанести еще несколько точек на карту плотности межзвездного пространства примерно по одной на каждые несколько а.е. В то же время исследования мелкомасштабной структуры этих явлений показали, как во флуктуациях плотности проявляет себя межзвездная турбулентность, причем в широком диапазоне масштабов – от десятков метров до а.е. и даже более.
Эти результаты привлекли внимание моего научного руководителя примерно через год после моего присоединения к научной группе. Тогда я вовсю изучала применение радиоизлучений пульсаров и быстрых радиовсплесков для описания свойств межзвездной плазмы. Когда НАСА объявило конкурс заявок на участие в «Программе приглашенных исследователей внешней структуры гелиосферы» (Outer Heliosphere Guest Investigator Program), мы воспользовались возможностью изучить межзвездную среду с помощью самых непосредственных находящихся там зондов: Вояджера-1 и 2. Одной из наших главных целей стало применение обработки сигналов для поиска их слабых проявлений в данных PWS, которые может быть, всего лишь может быть, скрывались среди и вне уже обнаруженных ярких явлений плазменных колебаний.
Спустя несколько месяцев все более и более тщательного прочесывания данных, я заметила в спектре PWM едва приметную линию, которая шла за плазменной частотой и сохранялась на протяжении почти трех лет, начиная с 2017 года и заканчивая публикацией последних общедоступных данных. Эта линия плазменной волны не была похожа ни на что из ранее виденного мной – чрезвычайно узкополосная и настолько слабая, что обнаружить ее можно было только при отсутствии явлений колебаний плазмы.
В стремлении определить, является ли этот сигнал реальным или же отражает артефакт шума, мы проконсультировались с инспектором PWS Доном Гурнеттом и его помощником Биллом Куртом из Университета Айовы, которые произвели независимую проверку данных и подтвердили действительность нашей находки. После бурных обсуждений с коллегами из Университета Айовы о происхождении этой слабозаметной линии плазменной волны, мы пришли к выводу, что данный сигнал можно использовать для определения плазменной частоты. Впервые мы смогли регулярно отслеживать распределение плазмы в ближайшей межзвездной среде на протяжении почти 10 а.е. космического пространства с пространственным разрешением менее 0.05 а.е.
Постоянство этого узкополосного излучения плазменной волны не только поднимает ряд интересных вопросов, но также дает и потрясающие возможности. Есть вероятность, что Вояджер сможет и дальше обнаруживать этот сигнал, что позволит ему квазинепрерывно отслеживать плотность плазмы до тех пор, пока сигнал не исчезнет.
Пока в точности не ясно, какой физический механизм может стоять за столь узкополосными постоянными плазменными волнами. Обнаружение этого сигнала в отсутствии вызываемых ударной волной явлений плазменных колебаний предполагает, что эта линия волны генерируется не солнечной активностью и может быть связана с внутренними процессами межзвездной среды, такими как термальные флуктуации плотности плазмы. Подобная возможность потрясает, ведь она предполагает, что это обнаружение впервые позволит Вояджеру-1 начать отслеживать неподвижные свойства межзвездной плазмы, а не просто исследовать ее изменение в следствии солнечной активности.
Даже спустя четыре десятилетия космических путешествий и бесчисленное множество ошеломляющих открытий, Вояджер-1 продолжает прокладывать новый путь. Кто знает, какие еще невероятные тайны он для нас раскроет?
Перевод статьи Stella Ocker: Voyager 1 hears the hush of interstellar plasma
