Солнечная система непрерывно движется через межзвёздную среду, свойства которой со временем существенно меняются. В обычных условиях Землю защищает гелиосфера — область, сформированная солнечным ветром, которая сегодня экранирует до 70% галактических космических лучей с энергией выше 70 МэВ на нуклон. В новой работе учёные реконструировали, какой эта защита могла быть в прошлом, и показали, что в последние 10 миллионов лет Земля могла неоднократно оказываться практически без неё.

Опираясь на современные астрометрические данные миссии Gaia, авторы рассматривают сценарий, при котором 2 – 3 и 6 – 7 миллионов лет назад Солнечная система пересекала плотные и холодные межзвёздные облака. В таких условиях внешнее давление могло привести к экстремальному сжатию гелиосферы — до размеров меньше одной астрономической единицы. Это означает, что Земля могла напрямую контактировать с межзвёздной средой, оставшись без защитного «солнечного кокона».

Эти временные интервалы совпадают с обнаружением на Земле и Луне изотопов 60Fe и 244Pu в глубоководных отложениях, антарктическом льду и лунных образцах. Ранее их происхождение чаще связывали с близкими взрывами сверхновых, однако такой сценарий требует редкого совпадения сразу нескольких взрывов на безопасном расстоянии и плохо согласуется с наблюдаемой структурой изотопных сигналов. Модель столкновения с межзвёздным облаком объясняет эти аномалии: изотопы могли накапливаться в облаках заранее и попадать в окрестности Земли именно в момент прохождения Солнечной системы через них.

Для проверки этого сценария учёные провели трёхмерное магнитогидродинамическое моделирование столкновения Солнца с плотным облаком, предположительно связанным с «местным комплексом холодных облаков». В расчётах использовалось облако с плотностью нейтрального водорода около 3000 см-3, температурой 20 К и относительной скоростью 14 км/с. Результаты показали, что гелиопауза в таких условиях сжимается до 0,22 астрономической единицы, а граница ударной волны солнечного ветра смещается внутрь орбиты Земли.

Из-за сильной асимметрии сжатой гелиосферы Земля в течение года периодически оказывалась то внутри её вытянутого хвоста, то за его пределами — непосредственно в межзвёздной среде. Это приводило к двум разным радиационным режимам. Вне гелиосферы поток галактических космических лучей для энергий ниже 1 ГэВ был как минимум в десять раз выше современного уровня.

Когда Земля находилась внутри сжатой гелиосферы, доминировал другой источник излучения — так называемые гелиосферные энергетические частицы. В отличие от солнечных энергичных частиц, они ускорялись на чрезвычайно близкой к Солнцу ударной волне солнечного ветра. Моделирование показало, что из-за геометрии магнитного поля и усиленной ударной волны эффективность ускорения была значительно выше современной. Поток таких частиц превышал крупнейшие зафиксированные солнечные события примерно в 100 раз и на многие порядки превосходил обычный фон галактических космических лучей в диапазоне десятков МэВ.

Подобные условия должны были оставить след в геологической и климатической истории Земли. Повышенная радиация приводила к усиленному образованию космогенных изотопов, а также к изменению химии атмосферы. Ионизация воздуха способствовала разрушению озонового слоя, а высокая плотность межзвёздного газа могла дополнительно усиливать глобальное похолодание. Эти эффекты хорошо согласуются с климатическими изменениями, зафиксированными в период 2 – 3 миллиона лет назад, который совпадает с инверсией магнитного поля Земли и ослаблением геомагнитной защиты.

Авторы делают вывод, что столкновения Солнечной системы с холодными межзвёздными облаками могли играть заметную роль в формировании радиационной, климатической и, возможно, биологической истории Земли. Работа предлагает рассматривать эволюцию климата и биосферы не как изолированный процесс, а как часть более широкой картины взаимодействия Солнечной системы с переменной галактической средой — своеобразной «галактической погодой».