Вошел ли «Вояджер-1» в пояс солнечной радиации?

Я предполагаю, что идея состоит в том, что низкоэнергетические аномальные космические лучи, а не галактические космические лучи, являются заряженными частицами из «пояса солнечного излучения»... Согласно тому, что я читал, аномальные космические лучи ожидались, и стандартная теория состоит в том, что они представляют собой скопление заряженных частиц в «гелиооболочке», но их наблюдали далеко за пределами ожидаемого диапазона.

В любом случае, разумность идеи радиационного пояса может зависеть от того, как он определяется. Если дать ему максимально широкое и расплывчатое определение, то это может означать просто любую популяцию заряженных частиц, постоянно занимающих один и тот же объем пространства, и в этом широком определении, возможно, даже стандартные модели до «Вояджера» имели радиационный пояс.

С другой стороны, если мы конкретно принимаем радиационные пояса Земли за определяющее понятие, то, возможно, имеется в виду популяция заряженных частиц, блуждающих туда-сюда между полюсами магнитного поля небесного объекта. В таком случае мне интересно, будет ли у популяций частиц, находящихся так далеко от Солнца, достаточно времени и стабильности, необходимых для проявления такого специфического поведения.

Надеюсь, вы получите ответ от кого-то, кто действительно разбирается в дальнодействующей солнечной магнитосфере, межзвездных магнитных полях, галактическом населении космическими лучами и других важных темах...

«Вояджер-1» сейчас находится в этой новой неизвестной области в нашей гелиосфере, и мы не знаем, что это за область.

Текущая интерпретация данных с " Вояджера-1 " заключается в том, что он вошел в местную межзвездную среду (МЗС) где- то около 25 августа 2012 года. Так что это не новая, неизвестная область, просто были некоторые первоначальные сомнения относительно того, действительно ли космический корабль пересек межзвездную среду. гелиопауза и будет ли гелиошок (оказывается не было гелиошока).

Большинство ученых в настоящее время считают, что у Солнца нет радиационных поясов, потому что магнитное поле, которое меняется каждые 11 лет, недостаточно стабильно, чтобы поддерживать радиационный пояс. Но недавние наблюдения за внешними радиационными поясами Земли показывают, что пояса могут быть опустошены и снова заполнены частицами в течение нескольких недель, поэтому, возможно, пришло время еще раз взглянуть на возможное существование звездных радиационных поясов.

Я не уверен, что охарактеризовал бы его таким образом. Дипольный член многопольного расширения магнитного поля Солнца довольно мал вблизи Солнца, поскольку другие члены более высокого порядка доминируют локально, поэтому изображения SDO в активные периоды так загружены. Величина солнечного магнитного поля примерно соответствует затуханию диполя с расстоянием, т. е.$B \propto r^{-3}$, но турбулентный характер солнечного ветра (наряду с другими факторами) делает его чрезвычайно динамичной системой. Кроме того, наклон оси диполя Солнца довольно велик по сравнению с осью вращения, что означает, что поле на Земле меняет знак примерно каждые ~ 27 дней из-за пересечения гелиосферного токового слоя .

Типичное определение радиационного пояса - это область пространства вблизи намагниченного тела, где энергичные частицы захватываются в определенных областях, которые регулируются адиабатическими инвариантами движения заряженных частиц в (грубом) магнитном дипольном поле. То есть, чтобы поддерживать область захваченных энергичных частиц, необходимо поддерживать постоянную геометрию магнитного поля для множества дрейфовых орбит частиц вокруг намагниченного тела.

Но почему возможный пояс солнечной радиации находится так далеко от Солнца? Внешний пояс солнечной радиации Земли сжимается солнечным ветром, поэтому пояс солнечной радиации может испытать противоположный эффект и быть унесенным далеко от Солнца, неизвестный межзвездный ветер может с другой стороны подтолкнуть его к солнцу.

Даже если бы удалось «отключить» солнечный ветер, положение внутреннего радиационного пояса кардинально не изменилось бы. Внешний пояс был бы устойчив к большим радиусам, но опять же не изменился бы кардинально.

Показания, которые мы получили, когда "Вояджер-1" вошел в новую область, могут быть объяснены тем, что "Вояджер-1" покинул солнечную плазмосферу высокой плотности и вошел во внешний радиационный пояс Солнца с низкой плотностью энергии.

Насколько мне известно, числовая плотность резко возрастала при пересечении гелиопаузы (например, см. следующую статью https://science.sciencemag.org/content/341/6153/1489 ), а не уменьшалась. Система «удар-оболочка-пауза» является «обратной» по сравнению с магнитосферой Земли в том смысле, что конечная ударная волна образует внутреннюю границу, за которой следует гелиооболочка с более низкой плотностью , затем ограниченная гелиопаузой. То есть плотность гелиооболочки составляет ~0,001—0,003 см- ³ , а плотность за пределами гелиопаузы составляет ~0,06—0,08 см- ³ , т. е. увеличивается примерно в 80 раз.

Что происходит с ионами солнечного ветра на пороге этой новой области, кажется неясным, они замедляются и накапливаются, или они ускоряются оттуда?

Большинство объемных тепловых ионов, падающих на завершающий удар, тормозятся и нагреваются. Есть некоторые, которые получают энергию/ускоряются от завершающего удара, и даже меньшая часть становится достаточно энергичной, чтобы внести свой вклад в аномальные космические лучи (АКЛ).(другие источники включают улавливаемые ионы и/или ионы, предварительно заряженные солнечным ветром). Основная идея заключается в том, что АКИ ускоряются локально внутри гелиосферы, а галактические космические лучи (ГКЛ) приходят из-за пределов гелиосферы. Вот почему в гелиопаузе интенсивность АКЛ падала, а интенсивность ГКЛ возрастала. ГКЛ обычно имеют намного большую энергию, чем АКЛ, и то, что гелиопауза представляет собой постепенную границу (т. е. на самом деле это не резкий разрыв), приводит к повышению интенсивности ГКЛ примерно за 100 дней до пересечения гелиопаузы (обратите внимание, что гелиопауза не является статической границей). граница относительно солнца, она может много двигаться).

Мы знаем, что Юпитер имеет гораздо более сильные и более энергичные радиационные пояса, поэтому размеры усиливают радиационные пояса и создают частицы со скоростью космических лучей. Тогда можно было бы ожидать, что скорости космических лучей будут нормальными в поясах солнечной радиации, расположенных в огромной магнитной гелиосфере.

Радиационные пояса Юпитера более интенсивны, чем у Земли , потому что магнитное поле Юпитера намного сильнее, чем у Земли, поэтому оно может улавливать более энергичные частицы. Магнитное поле вблизи гелиопаузы на порядки слабее, чем даже у Земли.

Это также дает возможные решения других проблем с космическими лучами, например, почему космические лучи уменьшаются во время солнечного максимума, почему космические лучи могут приходить в виде ливней и временно различаться по типу частиц.

Космическая интенсивность падает во время солнечного максимума из-за хорошо известного эффекта, называемого уменьшением Форбуша . Кроме того, это влияет только на нижнюю энергетическую часть спектра космических лучей, т. е. от 10 до 100 ГэВ. Более энергичные частицы не заботятся об основной причине уменьшения, а именно о выбросах корональной массы , потому что они просто «пробивают» эти магнитные препятствия из-за своего большего гирорадиуса .

В настоящее время мы не знаем, что создает космические лучи, сверхновые — это одно из предположений, но во Вселенной недостаточно сверхновых, чтобы учесть все космические лучи, поэтому необходим дополнительный источник. Таким источником могут быть космические лучи радиационных поясов звезд. Если у нас есть внешний радиационный пояс Солнца, который является источником Космического Луча, частицы КЛ также могут вращаться вдоль линий потока солнечного магнитного поля и бомбардировать Солнце с гораздо более высокой интенсивностью КЛ, чем Земля в защищенной магнитным полем тихой зоне.

Обратите внимание, что во всех радиационных поясах Солнечной системы, за которыми у нас есть наблюдения, возбуждение не вызвано самими поясами. То есть частицы заряжены несколькими процессами (например, см. обсуждение на https://physics.stackexchange.com/a/142922/59023 ), а пояса указывают только области, в которых захвачены эти энергичные частицы.

«Вояджер-1» наблюдал увеличение магнитного поля при входе в новую область. Внешний радиационный пояс Земли также является домом для кольцевого тока Земли, который индуцирует магнитное поле. Таким образом, сам пояс солнечного излучения может содержать солнечный кольцевой ток, который индуцирует магнитное поле, что может объяснить наблюдаемое увеличение магнитного поля.

Земной кольцевой ток имеет тенденцию генерировать магнитное поле, противоположное диполю Земли, поэтому геомагнитные бури обозначаются отрицательным полем Dst, т. Е. В основном он измеряет отклонение от приближения наклонного диполя поля Земли, которое становится отрицательным во время бурь. из-за расширенного кольца ионов с энергиями от 10 до нескольких сотен кэВ. Таким образом, во время бурь поле на самом деле не усиливается, оно сначала сжимается каким-либо внешним возмущением (например, CME-ударом), но реакция магнитосферы часто является перекомпенсацией.

Наблюдаемые колебания границы области могут быть вызваны неравномерным солнечным ветром, вызывающим расширение и сжатие пояса солнечной радиации, подобно тому, как солнечный ветер вызывает колебания радиационного пояса Земли. Колебания также могут быть вызваны вариациями солнечного магнитного поля при вращении Солнца.

Да, граница колеблется из-за изменений солнечного ветра и течения МЗС. К тому времени, когда солнечное магнитное поле достигло завершающей ударной волны, оно настолько «закручено», что в плоскости эклиптики оно в основном ортогонально вектору нормали завершающей ударной волны. Единственные существенные изменения вызваны попаданием CME на границу, и их влияние можно почувствовать дистанционно.

Количество космических лучей, падающих на Землю, обратно пропорционально количеству солнечных пятен. Объяснением этого может быть то, что меняющееся магнитное поле Солнца во время солнечного максимума не может поддерживать или ограничивать большой стабильный внешний радиационный пояс, который может производить космические лучи, попадающие на Землю. Также возможно, что солнечные бури истощают радиационный пояс частиц, как солнечные бури истощают внешние радиационные пояса частиц Земли.

Это как раз упомянутое выше уменьшение Форбуша.

Команда "Вояджера" заявляет, что "Вояджер-1" не покидал гелиосферу, тогда у наблюдаемой области есть другое объяснение. Пояс солнечного излучения может быть решением, а также может объяснить, как большинство космических лучей может создаваться в поясах звездного излучения. Это предложение, которое на данный момент, кажется, хорошо согласуется с наблюдениями, и оно может дать нам отличные ответы. Любая помощь в процессе оценки или комментарий приветствуется. Если у Солнца и Земли больше общего, чем мы думаем, это понимание может привести нас к дальнейшему пониманию того, как работает этот великий механизм.

Общее мнение изменилось в пользу того, что "Вояджер-1" находится в межзвездном пространстве. Кроме того, недавняя работа над «Вояджером-2» предполагает, что он покинул гелиосферу в ноябре 2018 года. В работах группы «Вояджер» по состоянию на июль 2019 года есть несколько статей в Nature о пересечении гелиопаузы.

Резюме
Нет, я не думаю, что доказательства подтверждают какие-либо пояса солнечной радиации, и я не думаю, что это было бы физически возможно, учитывая требования по захвату когерентных популяций энергичных электронов и ионов.