穿过太阳圈:探索太阳系以外的奇异太空

2020/12/7 9:48:45 来源:新浪科技 作者:任天 责编:骑士

北京时间 12 月 7 日消息,据国外媒体报道,2012 年 8 月,旅行者 1 号成为第一艘穿越太阳圈(太阳所能支配或控制的太空区域)并进入星际空间的航天器;6 年之后的 2018 年 11 月,旅行者 2 号也离开太阳系,成为第二个进入星际空间的人造物体。

远离太阳的保护,太阳系的边缘显得无比寒冷、空旷和黑暗。在很长一段时间里,太阳系和邻近恒星之间的广阔空间也一直被认为是可怕且浩瀚的虚无。直到不久之前,人类还只能从远处窥视这些空间。天文学家对此也没有多少兴趣,而更倾向于将望远镜投向邻近的恒星、星系和星云等发光物体上。

超新星爆发将宇宙射线从各个方向抛向星际空间

然而,就在过去的几年里,两艘建造并发射于 20 世纪 70 年代的航天器,从这个陌生而奇异的星际空间传回了人类前所未见的景象。作为最早两个离开太阳系的人造物体,它们正探索着远离地球数十亿公里的未知领域,还没有其他航天器飞行过这么远的距离。这两艘航天器还揭示出,在太阳系的边界之外,存在着一片混沌而动荡的活跃区。

米歇尔 · 班尼斯特是新西兰坎特伯雷大学的天文学家,主要研究太阳系的外围区域。“当你观察电磁波谱的不同部分时,那部分空间完全不同于我们肉眼所感知的黑暗,”她说,“你会看到磁场在相互缠斗、推挤、连结。你可以想象尼亚加拉瀑布下方水潭的景象。”

旅行者号探测器于 1977 年发射升空,现在正从星际空间向地球发回数据

在这里翻滚的并不是水,而是太阳风与所谓 “星际介质”冲撞所造成的湍流。太阳风是一股强大的带电粒子或等离子流,从太阳朝各个方向射出;而在星际空间中存在的各种物质形式和辐射则被称为 “星际介质”。

在过去的一个世纪里,科学家们已经向我们描绘了星际介质的组成,这在很大程度上要归功于射电望远镜和 X 射线望远镜的观测能力。它们揭示了星际介质由极度分散的电离氢原子、尘埃和宇宙射线组成,其中还散布着致密的分子气体云——被认为是新恒星的诞生地。

太阳会发出超高速的高能粒子,即太阳风,其强度会随着太阳的活动而起落

不过,太阳系外星际介质的确切性质在很大程度上一直是个谜,这主要是因为太阳、所有八颗行星和遥远的圆盘状柯伊伯带,都包含在一个巨大的、由太阳风形成的气状泡中,这个气状泡被称为 “太阳圈”(heliosphere)。当太阳及其周围的行星快速穿过星系时,太阳圈就像一块无形的盾牌,可以缓冲星际介质,将大多数有害的宇宙射线和其他物质挡在外面。

然而,太阳圈的保护特性也让科学家更难以研究其范围以外的情况,甚至从内部确定太阳圈的大小和形状都非常困难。

“这就好比你在自己家中,想知道这个家是什么样子的,那你就必须到外面去看一看,才能真正判断出来,”美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室的博士后研究者埃琳娜 · 普罗伏尼科娃(Elena Provornikova)说,“想要有所了解的唯一方法就是远离太阳,然后往回看,从太阳圈之外拍摄图像。”

旅行者 1 号以更直接的方式穿过太阳系,于 2012 年进入星际空间,旅行者 2 号在 2018 年加入它的行列。目前,它们分别离地球约 209 亿和 177 亿公里,并不断向外漂移,越来越深入太阳系以外的空间,同时发回更多的数据。

这两个老旧的探测器揭示了太阳圈和星际介质之间的边界,为我们了解太阳系如何形成,以及地球生命何以存在提供了新的线索。实际上,太阳系的边缘并没有一个清晰的边界,而是充满了翻滚的磁场、不断碰撞的恒星风、高能粒子风暴和涡旋的辐射。

太阳圈在其环绕银河系的旅程中不断穿过星际介质,形成了一条长尾巴

2014 年,太阳的活动激增,导致剧烈的太阳风席卷太空。这股冲击波以每秒 800 公里的速度迅速席卷了水星和金星,并在两天之后,穿过 1.5 亿公里的距离包裹了地球。幸运的是,地球的磁场保护了我们免受其强烈破坏性辐射的伤害。

一天之后,太阳风吹过火星,并继续穿过小行星带,冲向遥远的气态巨行星——木星、土星、天王星;两个多月后,太阳风到达了海王星,它的轨道距离太阳将近 45 亿公里。经过 6 个多月的时间,太阳风终于到达了距离太阳 130 多亿公里的地方,遭遇 “终端激波”,并突然减速。在这里,推动太阳风的太阳磁场变得很弱,以至于星际介质可以对其施加推力。

从终端激波出来的太阳风,其传播速度不到之前的一半,就像飓风减弱为热带风暴。2015 年底,这股太阳风追上了形状不规则的旅行者 2 号,后者的大小和一辆小汽车相当。旅行者 2 号上的传感器探测到了等离子体的激增,这项技术已经使用了 40 年之久,由一个缓慢衰变的钚电池提供动力。

当太阳风追上旅行者 2 号时,它还在太阳系的范围之内。一年多后,这阵接近消亡的太阳风终于追上了旅行者 1 号,它在 2012 年进入了星际空间。

这两个探测器选择了不同的路线,其中一个位于太阳平面上方 30 度的位置,另一个则位于太阳平面下方相对应的位置。太阳风爆发在不同时间到达了不同的区域,这为研究日球层顶(又称太阳风层顶)的性质提供了有用的线索。

数据显示,这一动荡边界宽度可达数几百万公里,覆盖了太阳圈表面数十亿平方公里的面积。太阳圈也大得出奇,暗示着银河系这部分的星际介质密度比原先估计的更低。太阳在星际空间中切割出一条路径,就像一艘船在水中航行一样,创造出一个 “弓形激波”,并在其后方形成一道尾迹,可能带有一条(或不止一条)类似于彗星形状的尾巴。两艘旅行者号飞船都是从日球层的 “鼻子”处起飞的,因此没有提供任何关于彗尾的信息。

不仅太阳风和星际风在边界区域会进行动荡的拉扯,而且粒子似乎也交换了电荷和动量。于是,部分星际介质转化为太阳风,实际上增加了气泡向外的推力。

尽管太阳风可以提供有趣的数据,但它似乎对太阳圈气泡的总体大小和形状影响很小,这有些令人意外。看起来,太阳圈外发生的事情要比太阳圈内发生的事情重要得多。太阳风的强弱可以随时间增减,而不会对气泡产生明显的影响;但如果这个气泡进入星系中星际风密度较大或较小的区域,它就会缩小或增大。

当然,还有许多问题仍然没有得到解答,比如保护我们的太阳圈气泡在宇宙中是否常见?普罗伏尼科娃表示,对太阳圈的了解越多,我们就越能清楚知道自己在宇宙中是不是孤独的。她说:“在我们自己的恒星系中进行的研究,将告诉我们其他恒星系统中生命发展的条件。”

当旅行者 2 号离开太阳系时,它发现了一个巨大的宇宙射线峰值,而这正是太阳圈保护我们免受的宇宙辐射

地球生命的发展在很大程度上要感谢太阳圈阻挡了星际介质,与此同时,太阳风还阻止了来自外太空的致命辐射和高能粒子(如宇宙射线)的轰击。宇宙射线由质子和原子核组成,以接近光速的速度在太空中流动。恒星爆发、星系坍缩成黑洞以及其他灾难性的宇宙事件发生时,都会产生宇宙射线。在太阳系以外的区域,这些高速的亚原子粒子持续不断地倾泻着,其威力足以在一个不那么受保护的星球上造成致命的辐射伤害。

“旅行者号的探测明确表明,宇宙射线中有 90% 都被太阳过滤掉了,”美国普林斯顿大学的太阳物理学研究者杰米 · 兰金(Jamie Rankin)说,“如果没有太阳风的保护,我不知道我们是否还能活着。”兰金也是第一位基于旅行者号的星际数据撰写博士论文的人。

美国国家航空航天局(NASA)的另外三个探测器也将很快加入旅行者号的行列,进入星际空间。尽管其中两个探测器已经耗尽能量,并停止返回数据。当然,在巨大的太阳系边界上,这些微小的探测器即使可用,也只能提供有限的信息。幸运的是,我们可以在离地球更近的地方进行更广泛的观测。

IBEX 任务探测到一条高能原子条带被银河系磁场从太阳圈边缘反射回来

NASA 的 “星际边界探测器”(Interstellar Boundary Explorer,简称 IBEX)是一颗自 2008 年开始环绕地球运行的微型卫星,其探测目标是穿过星际边界的 “高能中性原子”。IBEX 还绘制了太阳圈边界周围所发生相互作用的三维地图。

杰米 · 兰金说:“你可以把 IBEX 的地图想象成某种‘多普勒雷达’,而旅行者号就像地面气象站。”她使用来自旅行者号、IBEX 和其他来源的数据,分析了太阳风中较小的迸发。目前,她正在撰写一篇论文,主要探讨在 2014 年开始的那次规模更大的爆发。已经有证据表明,旅行者 1 号越过边界时,太阳圈正在缩小;但旅行者 2 号越过边界时,太阳圈又在扩大。

“这是一个相当动态的边界,”兰金说,“这一发现被 IBEX 捕捉,绘制到了三维地图中,这让我们能够同时追踪旅行者号在局部得到的反应,这简直令人惊叹。”

IBEX 揭示了太阳圈边界的动态变化。在运行的第一年,它发现了一条巨大的高能原子条带蜿蜒穿过边界,而边界随时间而变化,这些特征出现和消失的时间仅为 6 个月。这条带状区域位于太阳圈的前端,太阳风粒子在这里被星际磁场反射回太阳系。

旅行者 1 号于 2012 年穿越到距离太阳 100 个天文单位的星际空间,但它的前方仍有一团巨大的奥尔特云

不过,旅行者号的故事还有一个转折。尽管它们已经离开了太阳圈,但它们仍然在太阳的影响范围之内。例如,在其他恒星系中,可以用肉眼就能看到太阳的光。太阳的引力也远远超出了太阳圈,牵制着一个遥远的,由冰、尘埃和空间碎屑组成的稀疏球体云团。这就是奥尔特云。

尽管奥尔特云漂浮在遥远的星际空间,但其中仍有许多天体围绕太阳运行。有些彗星的轨道可以一直延伸到奥尔特云,但一般认为,对于从地球发射的探测器来说,这个 3000 至 1.5 万亿公里以外的区域实在太遥远了。

自从太阳系形成以来,这些遥远的天体几乎就没有改变过,它们可能回答诸多未解难题的关键,包括行星如何形成,以及生命在宇宙中出现的可能性等等。随着每一波新数据的出现,新的谜团和问题也随之产生。

普罗伏尼科娃表示,部分或全部太阳圈可能被一层氢气覆盖,其影响尚未可知。此外,太阳圈似乎正在倾斜向一团由远古宇宙事件遗留下来的星际云。这团星际云中的粒子和尘埃会对太阳圈边界,以及生活在其中的人类有何影响,目前还无法预测。

“它可以改变太阳圈的大小,改变太阳圈的形状,”普罗伏尼科娃说,“它可能有不同的温度,不同的磁场,不同的电离和一切完全不同的参数。这非常令人兴奋,因为这是一个会产生很多发现的领域,而我们对太阳和银河系之间的这种相互作用知之甚少。”

无论发生什么,两个勇敢的旅行者号探测器都将是我们太阳系的先锋,在探索太空中陌生而未知的领域时,它们将揭示更多的奥秘,也将带来更多的谜题。

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关键词:太阳宇宙

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