ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 2-3, с. 158-167
УДК 524.52
СКОРОСТЬ ЛОКАЛЬНОЙ МЕЖЗВЕЗДНОЙ СРЕДЫ ОТНОСИТЕЛЬНО СОЛНЦА ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТОКОВ МЕЖЗВЕЗДНОГО ГЕЛИЯ НА АППАРАТАХ Ulysses И IBEX
© 2014 г. О. A. Катушкина1,2*, Е. А. Проворникова1,2,3, В. В. Измоденов1,2
1 Институт космических исследований РАН, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 3Boston University, USA
Поступила в редакцию 24.07.2013 г.
Рассматривается вопрос об определении относительной скорости локальной межзвездной среды (ЛМС) на основании прямых измерений потоков межзвездных атомов гелия в Солнечной системе. Такие измерения проводились на космическом аппарате Ulysses в 1990—2007 гг. на расстоянии 2—5 а.е. от Солнца, а также проводятся с 2009 г. и по настоящее время на аппарате Interstellar Boundary Explorer (IBEX) на орбите Земли. Недавние работы по анализу измерений IBEX показали, что скорость ЛМС относительно Солнца, определенная из данных IBEX, отличается по величине (на «3 км/с) и направлению (на «4°) от скорости ЛМС, полученной ранее в работе Витте на основании измерений Ulysses. В данной работе проведено моделирование данных Ulysses (в том числе данных 2007 г., которые ранее никем не рассматривались) с учетом различных векторов скорости ЛМС, а также сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными. Показано, что вектор скорости ЛМС, полученный из данных IBEX, противоречит данным Ulysses по положению на карте неба максимума измеряемых потоков межзвездных атомов гелия. Кроме того, показано, что положение максимума потоков определяется исключительно вектором скорости ЛМС и не зависит от других параметров модели (температуры ЛМС и частоты ионизации). Это означает, что в рамках имеющихся моделей с вектором скорости ЛМС из данных IBEX невозможно объяснить данные Ulysses (в том числе данные 2007 г., полученные всего за 2 года до измерений IBEX). Обсуждаются возможные причины обнаруженных противоречий.
Ключевые слова: нейтральные атомы гелия, локальная межзвездная среда, гелиосфера.
DOI: 10.7868/80320010814010021
ВВЕДЕНИЕ
Солнце и Солнечная система окружены так называемой локальной межзвездной средой (ЛМС), представляющей собой частично ионизованную плазму. Основным нейтральным компонентом ЛМС являются атомы водорода, также в составе ЛМС присутствуют в меньшем количестве атомы гелия и других элементов. Солнце движется относительно ЛМС со скоростью примерно 20— 30 км/с. Сверхзвуковой поток солнечного ветра взаимодействует с заряженным компонентом межзвездной плазмы, в результате чего образуется область гелиосферного ударного слоя, подробнее о которой можно прочитать в работе Баранова и Маламы (1993). Длина свободного пробега межзвездных атомов сравнима с характерным
Электронный адрес: okat@iki.rssi.ru
размером гелиосферы (см., например, Измоденов и др., 2001), поэтому межзвездные атомы проникают через гелиосферный ударный слой внутрь Солнечной системы, где они исследуются прямыми или косвенными методами. Внутри гелиосферы межзвездные нейтральные атомы являются основным источником информации о параметрах межзвездной среды, поскольку заряженные частицы ЛМС не проникают в гелиосферу напрямую из-за взаимодействия с солнечным ветром.
Несмотря на то что концентрация атомов водорода в межзвездной среде является максимальной по сравнению с другими элементами, измерения потоков межзвездных атомов Н в гелиосфере неудобно использовать для удаленной диагностики параметров ЛМС. Это связано с тем, что в ге-лиосферном ударном слое атомы водорода взаимодействуют с протонами через процесс перезарядки (Н + Н+ Н+ + Н), в результате которого
рождаются так называемые вторичные межзвездные атомы водорода. Параметры вторичных атомов зависят от локальных свойств плазмы в области их рождения. Таким образом, распределение межзвездных (смеси первичных и вторичных) атомов водорода в гелиосфере значительно отличается от первоначального распределения в межзвездной среде. Поэтому использовать измеряемые, например, на орбите Земли параметры атомов водорода для определения скорости и температуры ЛМС крайне затруднительно, так как для этого нужно учитывать изменения функции распределения атомов за счет перезарядки, происходящие вблизи границы гелиосферы (Катушкина, Измоденов, 2010, 2011).
В отличие от атомов водорода, межзвездные атомы гелия проникают в гелиосферу свободно, практически не взаимодействуя с протонами из-за малого сечения перезарядки и большого потенциала ионизации. Поэтому данные измерений параметров атомов гелия в Солнечной системе удобно использовать для определения температуры (Tlism) и вектора средней скорости (Vlism) ЛМС относительно Солнца. Внутри гелиосферы атомы гелия подвергаются воздействию силы гравитационного притяжения к Солнцу, а также фотоионизации и ионизации электронным ударом. Частоты указанных процессов ионизации известны из различных измерений солнечного излучения и солнечного ветра (см., например, Макмаллин и др., 2004; Бзовский и др., 2012). Чтобы определить параметры ЛМС из локальных измерений потоков атомов гелия внутри гелиосферы, необходимо использовать теоретическую модель, учитывающую процессы ионизации атомов и гравитационное притяжение к Солнцу, и решать обратную задачу, подбирая параметры ЛМС так, чтобы получить наилучшее совпадение между экспериментальными данными и результатами численных расчетов.
Описанная методика применялась для определения параметров ЛМС по данным измерений потоков межзвездных атомов гелия на космическом аппарате (КА) Ulysses прибором GAS и подробно описана в работах Банашкевича и др. (1996), Витте и др. (1993, 1996), Витте (2004). Прибор GAS предназначен специально для измерения потоков межзвездных нейтральных атомов гелия в межпланетном пространстве Солнечной системы. Измерения проводились с 1990 г. по 2007 г., однако до настоящего времени были проанализированы только данные до 2002 г. включительно (Витте, 2004). Анализ данных Ulysses, проведенный в работе Витте (2004), позволил получить следующие параметры ЛМС: концентрация атомов гелия nHe LISM = 0.015 ± 0.003 см_3,
температура TLIsM = 6300 ± 340 K, скорость относительно Солнца Vlism = 26.3 ± 0.4 км/с и направление вектора скорости определяются в эклиптической (J2000) системе координат долготой ALISM = 75.4° ± 0.5° и широтой ^LISM = -5.2° ± ± 0.2°. Эти параметры ЛМС до недавнего времени находились в хорошем согласовании с другими экспериментальными данными, как следует из работ Мебиус и др. (2004) и Лаллемент и др. (2004).
В октябре 2008 г. был запущен новый КА NASA — Interstellar Boundary Explorer (IBEX) (Маккомас и др., 2009). Основной целью данной миссии является исследование трехмерной структуры границы гелиосферы с помощью измерений на орбите Земли потоков энергичных нейтральных атомов (ЭНА) водорода, гелия и кислорода. ЭНА образуются в результате перезарядки межзвездных атомов на ускоренных солнечных и межзвездных протонах в области гелиосферного ударного слоя. Однако помимо ЭНА прибор IBEX-Lo способен также измерять и низкоэнергичные межзвездные атомы с энергиями от 0.01 кэВ до 2 кэВ.
Данные IBEX-Lo по измерениям потоков межзвездных атомов гелия в 2009—2010 гг. были проанализированы в работах Бзовского и др. (2012) и Мёбиуса и др. (2012). Исследование Бзовского и др. было основано на применении кинетической модели распределения атомов гелия. Эта модель аналогична модели, использованной Витте (2004) для анализа данных Ulysses/GAS, но учитывает более современные данные о временных и гелио-широтных вариациях частоты ионизации атомов гелия. В работе Мёбиуса и др. (2012) проведено аналитическое исследование данных IBEX-Lo в рамках стационарной осесимметричной модели (так называемой "классической горячей модели", см. Мейер, 1977; Ву, Джадж, 1979; Лаллемент и др., 1985). В результате проведенного анализа данных IBEX-Lo были получены следующие параметры ЛМС: TLISM = 6300 ± 390 K, VLISM = 23.2 ±
± 0.3 км/с, Alism = 79° ± 0.47°, ^lism = -4.98° ± ± 0.21° (эти величины взяты из работы Маккомаса и др. (2012), где приведены средние между результатами Бзовского и др. (2012) и Мёбиуса и др. (2012) значения параметров вместе с диапазонами ошибок).
Таким образом, видно, что скорость ЛМС, полученная из данных IBEX-Lo, на 3 км/с меньше и ее направление на несколько градусов отличается от вектора скорости ЛМС, полученного ранее на основании данных Ulysses. Хотя указанные различия в скорости являются не очень большими, они могут оказаться существенными для интерпретации других экспериментальных данных. В частности, новое значение скорости ЛМС стимулировало обсуждение существования головной удар-
ной волны в межзвездной среде (Маккомас и др., 2012; Занк и др., 2013). Кроме того, изменение в направлении скорости Vlism должно повлиять на ориентацию так называемой плоскости отклонения водорода (Лаллемент и др., 2005, 2010), которая в свою очередь определяет конфигурацию межзвездного магнитного поля, поскольку считается, что вектор индукции межзвездного магнитного поля лежит в этой плоскости. Также изменение скорости ЛМС может отразиться на глобальной структуре гелиосферного ударного слоя и на положении гелиопаузы (т.е. контактного разрыва, отделяющего заряженный компонент плазмы ЛМС от плазмы солнечного ветра). Это является крайне существенным для интерпретации данных с КА Вояджер-1 и Вояджер-2, которые в настоящее время приближаются к гелиопаузе.
Отметим, что с физической точки зрения модели, использованные в работах Витте (2004) и Бзовского и др. (2012), различаются только частотой ионизации, т.е. можно предположить, что именно частота ионизации является источником различий в параметрах ЛМС, полученных с помощью анализа данных КА Ulysses и IBEX. В данной работе проведено моделирование потоков межзвездных атомов гелия, измеренных в 2001. и 2007 г. на КА Ulysses. При этом использовались различные векторы скорости ЛМС относительно Солнца и различные частоты ионизации. Показано, что вектор скорости ЛМС из работы Маккомаса и др. (2012) не позволяет объяснить данные Ulysses ни при ка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.