Специальный выпуск журнала Astrophysical Journal Supplement, вышедший 20 октября, посвящен результатам шестилетней работы международной группы исследователей по анализу данных, полученных прибором IBEX-Lo на космическом аппарате IBEX (НАСА). Авторы двух из 14 статей сборника — российские ученые, представляющие Российскую академию наук: Институт космических исследований и Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского, — и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

Прибор IBEX-Lo на аппарате IBEX измеряет потоки атомов гелия, водорода, кислорода и других элементов, проникающие в нашу Солнечную систему из далекого межзвездного пространства. Эти измерения позволяют с орбиты Земли исследовать так называемую область границы гелиосферы, где солнечный ветер (поток заряженных частиц от Солнца) сталкивается с межзвездной средой, окружающей Солнечную систему, на расстоянии примерно в 120 раз дальше, чем Земля.

Межзвездная среда состоит из заряженных ионов, а также нейтральных атомов. Она чрезвычайно разрежена — вблизи Солнечной системы её плотность составляет 0,2-0,3 частицы на кубический сантиметр. Тем не менее, когда солнечный ветер сталкивается с межзвездной средой, в области столкновения ионы и атомы обмениваются зарядами, заряженные частицы из межзвездного пространства начинают обтекать гелиосферу, а часть нейтральных частиц проникает внутрь и даже достигает Земли, где их регистрируют детекторы IBEX.

Данные IBEX уникальны, поскольку никогда ранее интенсивность потоков межзвездных атомов водорода и кислорода не измерялась напрямую. Анализ этой информации позволяет ученым лучше понимать, как работает Солнце, что происходить на границе гелиосферы и каковы параметры окружающей нас межзвездной среды.

Две статьи специального выпуска The Astrophysical Journal Supplement Series [1] написаны российскими учеными — сотрудниками Института космических исследований РАН, участниками научной программы проекта IBEX. Первая работа к.ф.-м.н. Ольги Катушкиной (научный сотрудник ИКИ РАН) и её коллег из России и США [2] посвящена теоретическому анализу потоков межзвездных атомов водорода, измеряемых прибором IBEX-Lo.

Нейтральный межзвездный водород проникает внутрь гелиосферы не сразу, а лишь после взаимодействия с ионами солнечного ветра, поэтому по его характеристикам можно исследовать взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой. Кроме того, по тому, насколько интенсивны потоки атомов водорода можно определять параметры солнечного излучения и солнечного ветра.

Ольга Катушкина и её коллеги, в частности, показали, что для объяснения данных IBEX в рамках современных численных моделей необходимо предположить существенно больший уровень солнечного радиационного давления, чем считалось ранее. Причины этих разногласий еще предстоит выяснить в будущем.

Вторая статья [3] российских ученых д.ф.-м.н. Владислава Измоденова, руководителя лаборатории межпланетной среды ИКИ РАН (также сотрудника МГУ им. М.В. Ломоносова и Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН) и к.ф.-м.н. Дмитрия Алексашова (старший научный сотрудник ИКИ РАН и ИПМех РАН) посвящена детальному описанию новой численной модели взаимодействия солнечного ветра и межзвездной среды. Это современная многокомпонентная модель, включающая самосогласованное описание заряженных и нейтральных частиц, а также солнечное и межзвездные магнитные поля. Эта модель уже успешно используется в настоящее время для анализа различных наблюдательных данных о границе гелиосферы, полученных на космических аппаратах «Вояджер-1 и -2», SOHO, Космического телескопа им. Хаббла, IBEX и др.

Кроме этого, данные IBEX подтвердили более ранние теоретические работы российских исследователей. Так, восемь из четырнадцати статей посвящены измерениям межзвездного гелия и сравнению полученных результатов с предыдущими измерениями на европейском космическом аппарате Ulysses (НАСА, ЕКА, 1990–2009). Детальный совместный анализ данных обоих аппаратов позволил разрешить возникшее ранее противоречие и подтвердить, что скорость межзвездной среды относительно Солнца, определенная из данных IBEX, совпадает с результатами Ulysses и равняется ~25.4 км/с. В то же время, было установлено, что температура межзвездной среды 7500 K, что примерно на 1000 К, чем считалось ранее. Этот вывод согласуется с результатами ранее опубликованной работы Ольги Катушкиной и её коллег (Katushkina et al., ApJ, 2014).

Важный результат работы прибора IBEX-Lo — открытие вторичной компоненты межзвездных атомов кислорода. Существование таких атомов было предсказано теоретически в работе Владислава Измоденова и его коллег еще в 1997 г. (Izmodenov et al., Astronomy&Astrophysics, v.317, p.193-202, 1997). Вторичные атомы образуются на границе гелиосферы в результате обмена зарядами между ионами кислорода и нейтральными атомами водорода. Образовавшиеся в итоге нейтральные атомы кислорода несут с собой информацию о процессах на границе гелиосферы. Данные IBEX-Lo позволили впервые зафиксировать такие атомы, и детальный анализ этих измерений еще предстоит провести.

Распределение параметров плазмы и магнитного поля, полученное в рамках новой численной модели взаимодействия солнечного ветра и межзвездной среды, которая учитывает гелиосферное магнитное поле и вариации солнечного ветра в зависимости от солнечной широты. Обозначены направление потоков плазмы и области с одинаковой плотностью (A), линии магнитных полей (D), скорость течения плазмы и распределение магнитных линий со стороны гелиосферы (B, E) и со стороны межзвездного пространства (C, F). Изображение из статьи Izmodenov & Alexashov [3]

Аппарат IBEX (Interstellar Boundary Explorer — «Исследователь межзвездной границы», НАСА) был запущен в октябре 2008 г., и его измерения уже принесли немало открытий. Изначально запланированная длительность миссия составляла 2 года, затем была увеличена до 2017 г. с возможностью продления. Главная задача миссии — исследование взаимодействия гелиосферы с межзвездной средой по распределению энергичных нейтральных атомов (ЭНА), приходящих с границ гелиосферы. Российские ученые являются членами научной команды миссии.

Ранее на основании данных IBEX был открыт «пояс» энергичных нейтралов, простирающийся через все небо (области на небесной сфере, по направлению из которых число ЭНА увеличивается); изучено распределение нейтральных атомов водорода, кислорода и неона внутри и за границей гелиосферы; найдены дополнительные свидетельства того, что у гелиосферы отсутствует головная ударная волна.