Гелиосфе́ра — область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Извне гелиосфера ограничена бесстолкновительной ударной волной, возникающей в солнечном ветре из-за его взаимодействия с межзвёздной плазмой и межзвёздным магнитным полем.[1]
Первые 10 млрд километров скорость солнечного ветра составляет около миллиона километров в час.[2][3] По мере того, как он сталкивается с межзвёздной средой, происходит его торможение и смешение с ней. Граница, на которой происходит замедление солнечного ветра, носит название границы ударной волны; граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды, носит название гелиопаузы; граница, на которой происходит столкновение межзвёздной среды с набегающим солнечным ветром — головная ударная волна.
Понятие «гелиосфера» является частным примером более общего явления — астросферы (и в ближайшее время единственным доступным для исследования изнутри). Применительно к произвольным звёздам в англоязычной литературе также может использоваться синонимичный термин «пузырь звёздного ветра».
Солнечный ветер представляет собой поток частиц (ионизированных атомов солнечной короны) и полей, в частности, магнитных. По мере того как Солнце вращается, делая оборот за 27 суток, магнитное поле, переносимое солнечным ветром, принимает форму спирали. Земля при прохождении витков этой спирали взаимодействует с ней своим магнитным полем, что может приводить к магнитным бурям.
В марте 2005 года были опубликованы результаты измерений, произведённых SOHO. Они показали, что область пространства, заполненная солнечным ветром, не имеет точной осевой симметрии, а имеет слегка искажённую форму, скорее всего, под влиянием местного участка общегалактического магнитного поля[4].
Гелиосферный токовый слой (показан до орбиты
Юпитера)
Гелиосферный токовый слой представляет собой «рябь» в гелиосфере, которая создаётся магнитным полем Солнца, вращающимся и меняющим свою полярность. Токовый слой выходит за пределы гелиосферы и является самой масштабной структурой в Солнечной системе. Своей формой он напоминает многослойную юбку балерины[5].
Внешняя структура гелиосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с потоком частиц в межзвёздном пространстве. Потоки солнечного ветра движутся во все стороны от Солнца, вблизи Земли имея скорости в несколько сотен километров в секунду. На определённом расстоянии от Солнца, далеко за орбитой Нептуна, этот сверхзвуковой поток начинает снижать свою скорость. Это торможение происходит в несколько этапов:
- Солнечный ветер имеет сверхзвуковую скорость внутри Солнечной системы. На так называемой границе ударной волны происходит падение скорости солнечного ветра до звуковых значений.
- Потеряв сверхзвуковую скорость, солнечный ветер начинает взаимодействовать с окружающим межзвёздным веществом. Это взаимодействие между галактическим веществом и движущимся в нём Солнцем приводит к тому что гелиосфера приобретает каплеобразную форму, вытянутую хвостом в сторону, противоположную направлению движения Солнца. Эта область пространства называется гелиосферной мантией (мантией Солнечной системы)
- Поверхность, которая ограничивает гелиосферную мантию и на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешение его с набегающим межзвёздным веществом, называют гелиопаузой. Она является границей всей гелиосферы.
- Движение Солнца в межзвёздной среде приводит к тому, что в окружающем межзвёздном пространстве происходят возмущения. Точно так же, как солнечный ветер на границе ударной волны теряет свою скорость, межзвёздный ветер, движущийся навстречу движению Солнца, изменяет свою скорость на аналогичной границе, называемой головной ударной волной. Она находится за пределами гелиосферы, и здесь происходит торможение не солнечного, а межзвёздного ветра.
Наглядная демонстрация границы ударной волны. Окружность, на которой поток воды теряет свою энергию и начинает резко замедляться, и есть граница ударной волны
Граница ударной волны — это поверхность внутри гелиосферы, на которой происходит резкое замедление солнечного ветра до звуковых скоростей (относительно скорости самого Солнца). Это происходит из-за того, что вещество солнечного ветра «наталкивается» на межзвёздное вещество. Полагают, что в нашей Солнечной системе граница ударной волны находится на расстоянии 75—90 а.e. (около 11—13,5 млрд км).[6] В 2007 году «Вояджер-2» пересёк границу ударной волны[7]. (Фактически он пересекал её пять раз, из-за того, что граница непостоянна и меняет своё расстояние от Солнца в результате колебаний солнечной активности и количества испускаемого Солнцем вещества).
Ударная волна возникает потому, что частицы солнечного ветра движутся со скоростью около 400 км/с, в то время как скорость звука в межзвёздном пространстве составляет примерно 100 км/с (точное значение зависит от плотности, и потому может меняться). Хотя межзвёздное вещество имеет очень малую плотность, оно все-таки создаёт постоянное, хоть и незначительное давление, которого на определённом расстоянии от Солнца становится достаточно, чтобы затормозить солнечный ветер до звуковых скоростей. В этом месте и возникает ударная волна.
Подобные границы ударных волн могут наблюдаться в земных условиях. Простейший пример можно видеть, наблюдая за поведением потока воды в раковине. Ударяясь о раковину, струя воды растекается во все стороны со скоростью, превышающей скорость распространения механических волн в воде. Формируется диск очень малой толщины из быстро растекающейся воды, который аналогичен сверхзвуковому потоку солнечного ветра. На краях этого диска образуется водяной вал, за которым вода течёт со скоростью, меньшей скорости распространения механических волн.
Свидетельства, представленные Эдом Стоуном на встрече Американского Геофизического союза в мае 2005 года, утверждают, что космический аппарат «Вояджер-1» пересёк границу ударной волны в декабре 2004 года, когда находился на расстоянии 94 а.e. от Солнца. Такой вывод был сделан по изменению показателей магнитного поля, получаемых с аппарата. Аппарат «Во
