揭开太阳系形状之谜

作者：admin浏览数：2020-08-18 08:16:29

利用美国航空航天局（NASA）任务获得的数据，科学家开发出了一个模型，对围绕我们太阳系的“泡泡”形状进行了新的预测。

更新后的模型表明，太阳所支配或控制的区域形状，即日球层（图中黄色部分）的形状，可能是瘪掉的羊角面包状，而不是其他研究提出的长尾彗星状。

图片来源：梅拉夫•奥弗等

我们太阳系中的所有行星，都包裹在一个磁泡（magnetic bubble）之中，太阳不断喷涌而出的物质，也就是太阳风（solar wind），在太空中日复一日地雕刻出了这个磁泡，而在磁泡之外的则是星际介质（interstellar medium），即充盈在银河系恒星系统之间的电离气体和磁场。当太阳围绕着银河系的中心运行时，磁泡会在太空中游走，多年以来，科学家一直在试图回答的一个问题，就是这个磁泡的形状是什么样的。传统来说，科学家认为日球层（heliosphere，太阳风吹入星际物质的空间中形成的磁性气泡）的形状类似彗星：前端被称为“鼻头”（nose），呈圆球状，尾部拖着一个长长的尾巴。

日球层的形状很难从内部进行测量，距离地球最近的日球层边缘也在超过一百亿千米之外的地方，到目前为止，只有两个旅行者号（Voyager）探测器对这片区域进行了直接测量，仅留下了有关日球层形状两个位点的真实数据。

在近地的条件下，我们研究太阳系与星际空间交界的方法，是捕获和观察飞向地球的粒子，这其中包括来自遥远银河系部分的、被称作银河系宇宙射线（galactic cosmic rays）的带电粒子，以及已经存在于我们太阳系中的粒子，它们奔向日球层的边缘，并通过一系列复杂的电磁过程反弹回到地球。这些粒子属于高能中性原子（energetic neutral atom），由于它们是通过与星际介质相互作用而产生的，所以成为了绘制日球层边缘形状的有效数据来源，这也就是NASA的星际边界探测器（Interstellar Boundary Explorer，IBEX）任务研究日球层的方法：利用这些粒子作为“太空雷达”，描摹出太阳系在星际空间中的边界。

一些研究表明，日球层拥有一个长长的尾巴，形状非常接近彗星，不过新模型提出了一个没有这种长长尾巴的形状。

图片来源：NASA科学可视化工作室（Scientific Visualization Studio）/概念成像实验室（Conceptual Imaging Lab）

为了理解这些复杂的数据，科学家利用计算机模型将它们转化为日球层形状特征的预测。这项新研究的主要作者是梅拉夫•奥弗（Merav Opher），他主管着由NASA和美国国家科学基金会（NSF）资助的波士顿大学（Boston University）希尔德•德赖弗科学中心（SHIELD DRIVE Science Center），专注于日球层形状的预测。

此外，NASA的新视野号（New Horizons）任务还提供了拾起离子（pickup ion）的测量数据，这是一种在太空中被电离然后被太阳风“拾起”并随之一同移动的粒子。由于它们的来源与从太阳中射出的太阳风粒子并不相同，因此拾起离子比其他太阳风粒子的温度要高得多，奥弗的工作就是建立在这一基础事实之上。

“有两种流体混合在一起，其中一种成分温度很低，而另一种温度要高得多，也就是拾起离子，”波士顿大学的天文学教授奥弗说道，“如果你有一些很冷的流体，还有一些很热的流体，然后把它们放在太空中，它们是不会混合在一起的，通常会分头发展下去。我们所做的就是将太阳风的这两个成分分开，然后对日球层的三维形状进行建模。”

将太阳风的组成部分一分为二，再加上奥弗早期的工作，即将太阳磁场视作塑造日球层形状的主要驱动力，就得出了瘪掉的羊角面包形状：有两个喷嘴从日球层中间圆鼓鼓的部分向外卷曲，并且非常显眼的是没有了许多科学家所预测的长尾巴彗星形状。

“由于拾起离子在热力学中起主导作用，因此整体上呈现球形的状态。但是由于它们在最终的冲击之后很快就离开了系统，整个日球层就显示出瘪掉的样子。”奥弗说道。

太阳系护盾的形状

解决日球层的形状问题不仅仅是为了满足学术上的好奇心，而是因为日球层能作为太阳系的护盾，抵御银河系其余部分的冲击。

我们的日球层会阻止许多宇宙射线抵达太阳系中的行星，这里动画中的亮条纹即表示宇宙射线。

图片来源：NASA戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）/概念成像实验室

像超新星（supernova）这样的其他恒星系统中的高能事件，可以将粒子加速到接近光速的速度。这些粒子向各个方向高速飞出，有一部分也会飞向我们的太阳系，但是，日球层却能起到护盾的作用：对于本将会进入太阳系中的这些高能粒子（银河系宇宙射线），它吸收了大约四分之三。

而剩下成功进入太阳系的高能粒子可能会造成严重的破坏，对于地球上的我们而言，地球磁场和大气层提供了又一层保护，但是太空或其他星球上的探索技术和宇航员却暴露在外。在银河系宇宙射线的作用下，电子设备和人体细胞都会遭受损害，而且由于这些粒子携带了大量的能量，我们很难以实用的太空旅行方式对它们进行阻挡。日球层是太空之旅过程中抵御银河系宇宙射线的主要防御手段，因此了解它的形状，以及它对射向我们太阳系的银河系宇宙射线的影响，是规划机器任务和人类太空探索的关键考虑因素。

日球层的形状也是解开其他星球生命探寻难题的重要一环，来自银河系宇宙射线的有害辐射会让某个星球世界不适宜生命存在，而由于我们拥有日球层这一强大的天体护盾，太阳系中才能有生命存活。当我们进一步了解了日球层对我们太阳系的保护作用，以及这种保护在整个太阳系历史上可能的演变过程时，我们就可以更好地寻找其他具有类似保护作用的恒星系统。而形状就是其中一个重要性质：我们的日球层看起来究竟是有着长长尾巴的彗星形状，还是瘪掉的羊角面包状，又或完全是其他的某种样子呢？