Астрофизики разобрались с взаимодействием солнечного ветра и кометы

Ученые построили трехмерную модель динамики частиц около кометы. Работа позволила выявить сложные взаимодействия различных компонент: электронов и протонов солнечного ветра, а также электронов и ионов, вылетающих с поверхности твердого тела. Результаты, применимые в том числе к комете Чурюмова-Герасименко, опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Солнечный ветер — это сверхзвуковой поток частиц, исходящих от центрального светила. Именно его взаимодействие с ядрами комет вызывает появление около них свечения — комы, а также хвостов в некоторых случаях. Как ветер, так и газ в гало комет являются бесстолкновительной средой, то есть составляющие их частицы не взаимодействуют непосредственно. Тем не менее, их динамика связана через крупномасштабные электромагнитные поля, поэтому в целом они образуют многокомпонентную плазму, которая ведет себя подобно нескольким слабовзаимодействующим жидкостям, занимающим одно то же пространство.

Американские астрофизики применили к этой задаче метод частиц в ячейках, разработанный как раз для таких ситуаций: они описывают плазму как множество отдельных невзаимодействующих частиц, которые коллективно изменяют электромагнитное поле, определяемое в отдельных ячейках пространства. Массы и заряды моделируемых частиц гораздо больше, чем у реальных, однако в целом они порождают более сложное поведение, чем было бы получено в полностью гидродинамической модели.

Зонд Rosetta заметил несколько необычных явлений около кометы Чурюмова-Герасименко. Например, рядом с ней существуют две популяции электронов с различными температурами. В моделировании удалось воспроизвести один из предложенных механизмов: селекцию более горячих электронов, так как ионы обладают меньшей энергией и образуют область положительного потенциала, от которого могут удалиться только электроны с большой энергией. Тем не менее, альтернативные объяснения, такие как разгон в электромагнитном поле или в порожденных альфвеновскими волнами областях с ненулевым электрическим полем, не опровергнуты окончательно.

Также ученые выяснили, что смоделированные компоненты удивительно эффективно обмениваются частицами на больших пространственных масштабах: так, например, электроны ветра и кометы меняются ролями в окрестности при взаимодействии. Это связано в том числе с различным поведением электронов и протонов ветра из-за разного отношения заряда к массе этих частиц. Магнитные силовые линии, вмороженные в плазму ветра, обволакивают комету, что приводит к возникновению компоненты поля, направляющей заряженные частицы вокруг нее. Однако из-за большой массы, протоны лишь слегка отклоняются этим полем и проникают намного ближе к ядру. В целом эти процессы приводят к передаче импульса от ветра к частицам с кометы, что приводит к быстрому захвату последних и увлечение их потоками от светила.