Віддалені області Сонячної системи

Питання про те, де саме закінчується Сонячна система і починається міжзоряний простір, неоднозначне. Ключовими в їх визначенні приймають два фактори: сонячний вітер і сонячне тяжіння. Зовнішня межа сонячного вітру — геліопауза, де гідродинамічний тиск сонячної плазми врівноважується міжзоряним. Геліопауза розташована на відстані приблизно 100 а.о. Однак припускають, що область, в якій гравітація Сонця переважає галактичну (сфера Гілла) простягається в тисячу разів далі.

Порівняльні розміри Сонячної системи

Наша планета розташована досить близько до Сонця, але не є найближчою планетою. Середня відстань від Сонця до найдальшої планети, Плутона, в 40 разів перевищує відстань до Землі. Умовні розміри Сонячної системи складають приблизно 50-100 астрономічних одиниць (Астрономічна одиниця - середня відстань від сонця до Землі, рівне 149600 тис. км). У масштабах нашої планети це величезна величина, приблизно в мільйон разів більше, ніж діаметр Землі.
Наочно уявити відносні масштаби Сонячної системи можна наступним чином. Припустимо Сонце зображується більярдним кулею, діаметр якого 7 см.. Тоді Меркурій, найближча до Сонця планета, що знаходиться а це масштабі на відстані 280 см від нього. Земля - на відстані 760 см, планета-гігант Юпітер розташована на відстані близько 40 м, а найбільш віддалена планета - на відстані приблизно 300 м. В такому масштабі розміри земної кулі трохи більше 0,5 мм, діаметр Місяця - трохи більше 0,1 мм, а діаметр орбіти Місяця становить близько 3 см.

Геліосфера

Міжзоряне середовище в околицях Сонячної системи неоднорідна. Спостереження показують, що Сонце рухається зі швидкістю близько 25 км/с крізь Місцевий міжзоряний хмара і може покинути його протягом наступних 10 тисяч років. Велику роль у взаємодії Сонячної системи з міжзоряним речовиною грає сонячний вітер.

Наша планетна система існує у вкрай розрідженій «атмосфері» сонячного вітру - потоку заряджених частинок (в основному водневої і гелієвої плазми), з величезною швидкістю стікали з сонячної корони. Середня швидкість сонячного вітру, що спостерігається на Землі, становить 450 км/с. Ця швидкість перевищує швидкість поширення магнітогідродинамічних хвиль, тому при взаємодії з перешкодами плазма сонячного вітру веде себе аналогічно надзвуковому потоці газу. По мірі віддалення від Сонця, щільність сонячного вітру слабшає, і настає момент, коли він виявляється не в змозі стримувати тиск міжзоряної речовини. В процесі зіткнення утворюється кілька перехідних областей.

Спочатку сонячний вітер гальмується, стає більш щільним, теплим і турбулентним. Момент цього переходу називається кордоном ударної хвилі (англ. termination shock) і знаходиться на відстані близько 85-95 а. е. від Сонця (за даними, отриманих з космічних станцій «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які перетнули цю межу в грудні 2004 року і серпні 2007).

Ще приблизно через 40 а. тобто сонячний вітер стикається з міжзоряним речовиною і остаточно зупиняється. Ця межа, що відокремлює міжзоряну середовище від речовини Сонячної системи, називається гелиопаузой. За формою вона схожа на міхур, витягнутий в протилежну руху Сонця бік. Область простору, обмежена гелиопаузой, називається геліосферою.

Згідно з даними апаратів «Вояджер», ударна хвиля з південної сторони виявилася ближче, ніж з північної (73 і 85 астрономічних одиниць відповідно). Точні причини цього поки невідомі; згідно з першим припущенням, асиметричність геліопаузи може бути викликана дією надслабких магнітних полів в міжзоряному просторі Галактики.

По іншу сторону геліопаузи, на відстані близько 230 а. е. від Сонця, вздовж головної ударної хвилі (bow shock) відбувається гальмування з космічних швидкостей налетающего на Сонячну систему міжзоряної речовини.

Жоден космічний корабель ще не вийшов з геліопаузи, таким чином, неможливо знати напевно умови в місцевому міжзоряному хмарі. Очікується, що «Вояджеры» пройдуть гелиопаузу приблизно між 2014 і 2027 роками і передадуть цінні дані щодо рівнів випромінювання і сонячного вітру. Недостатньо ясно, наскільки добре геліосфера захищає Сонячну систему від космічних променів. Команда, яка фінансується НАСА, розробила концепцію місії «Vision Mission» - посилки зонда до кордону гелиосферы.

У червні 2011 року було оголошено, що завдяки дослідженням «Вояджерів» стало відомо, що магнітне поле на межі Сонячної системи має структуру, схожу на піну. Це відбувається з-за того, що намагнічені матерія і дрібні космічні об'єкти утворюють місцеві магнітні поля, які можна порівняти з бульбашками.

Прикордонні області

Велика частина нашої Сонячної системи все ще невідома. За оцінками, гравітаційне поле Сонця переважає над гравітаційними силами навколишніх зірок на відстані приблизно двох світлових років (125 000 а. е.). В порівнянні, нижні оцінки радіуса хмари Оорта не розміщують його далі 50 000 а. е. Незважаючи на відкриття таких об'єктів як Седна, область між поясом Койпера і хмарою Оорта радіусом в десятки тисяч а. е. і тим більше сама хмара Оорта і те, що може перебувати за ним, усе ще практично не досліджені. Також продовжується вивчення області між Меркурієм і Сонцем.

Вояджер на межі Сонячної системи

Нова область на межі Сонячної системи - стала несподіваним відкриттям для вчених. Тут силові лінії магнітного поля Сонця з'єднуються з лініями магнітного поля міжзоряного простору. Це явище дозволяє пропускати високоенергетичні частинки від далеких вибухів наднових зірок та інших космічних подій, в той час як менш енергетичні сонячні частинки залишаються.

Проект «Вояджер» - один з найвидатніших експериментів, виконаних в космосі в останній чверті XX століття. Відстані до планет-гігантів занадто великі для наземних засобів спостереження. Тому надіслані на Землю «Вояджерами» фотознімки і дані вимірювань мають велику наукову цінність.

Ідея проекту вперше з'явилася в кінці 1960-х років, незадовго до запуску перших пілотованих апаратів до Місяця і апаратів «Піонер» до Юпітера.

Спочатку планувалося досліджувати тільки Юпітер і Сатурн. Однак завдяки тому, що всі планети-гіганти вдало розташувалися в порівняно вузькому секторі Сонячної системи («парад планет»), було можливе використання гравітаційних маневрів для обльоту всіх зовнішніх планет, за винятком Плутона. Тому траєкторія польоту була розрахована виходячи з цієї можливості, хоча офіційно вивчення Урану і Нептуна не увійшло в програму місії (для гарантованого досягнення цих планет було б будівництво більш дорогих апаратів з більш високими характеристиками по надійності).

Після того, як «Вояджер-1» успішно виконав програму дослідження Сатурна і його супутника Титана, було прийнято остаточне рішення направити «Вояджер-2» до Урану і Нептуну. Для цього довелося дещо змінити його траєкторію, відмовившись від близького прольоту близько Титану.

Після зустрічі з Нептуном траєкторія «Вояджера-2» відхилилася на південь. Тепер його політ проходить під кутом 48° до екліптики, в південній півкулі. «Вояджер-1» піднімається над екліптикою (початковий кут 38°). Апарати назавжди покидають межі Сонячної системи.

Технічні можливості апаратів такі: енергії в радіоізотопних термоелектричних батареях вистачить для роботи за мінімальною програмою приблизно до 2025 року[3]. Проблемою може стати можлива втрата Сонця сонячним датчиком, так як з великої відстані Сонце стає все більш тьмяним. Тоді спрямований радиолуч відхилиться від Землі, і прийом сигналів апарату стане неможливим. Це може статися близько 2030 року.

Тепер з наукових досліджень «Вояджерів» на першому місці - вивчення перехідних областей між сонячною і міжзоряного плазмою. «Вояджер-1» перетнув гелиосферную ударну хвилю (англ. termination shock) в грудні 2004 року на відстані 94 а. е. від Сонця. Інформація, що надходить з «Вояджера-2», призвела до нового відкриття: хоча апарат на той момент ще не досяг цієї межі, але одержувані від нього дані показали, що вона асиметрична - її південна частина приблизно на 10 а. тобто ближче до Сонця, ніж північна (вірогідне пояснення - вплив міжзоряного магнітного поля)[5]. «Вояджер-2» перетнув гелиосферную ударну хвилю 30 серпня 2007 року на відстані 84,7 а. е. Очікується, що апарати перетнуть гелиопаузу приблизно через 10 років після перетину гелиосферной ударної хвилі[.

Космічний апарат «Вояджер-2», запущений 20 серпня 1977 року, перетнув у серпні 2007 року кордон Сонячної системи (точніше, гелиосферы). 10 грудня 2007 року NASA повідомило про результати аналізу даних, надісланих «Вояджером».

На певній відстані швидкість сонячного вітру різко падає і перестає бути надзвуковий. Область (практично поверхню), в якій це відбувається, називається кордоном ударної хвилі (termination shock або termination shockwave). Це і є межа, яку перетнули «Вояджеры». Можна вважати її кордоном внутрішньої гелиосферы. За деякими визначеннями, геліосфера тут і закінчується.

«Вояджер-2» підтвердив, що геліосфера - не ідеальний куля, вона сплющена: її південна межа знаходиться ближче до Сонця, ніж північна. Крім того, апарат зробив ще одне несподіване спостереження: гальмування сонячного вітру за рахунок протидії міжзоряного газу повинне було б приводити до різкого підвищення температури і густини плазми вітру. Дійсно, на кордоні ударної хвилі температура була вище, ніж у внутрішній гелиосфере, але все одно в 10 разів менше, ніж очікувалося. Чим викликане розбіжність і куди йде енергія, невідомо.

Вчені сподіваються, що зв'язок з «Вояджерами» вдасться підтримувати і після того, як вони перетнуть гелиопаузу.