探秘太阳系失落的边界

伤我心太深

在过去的几十年里，空间科学家一般接受这样一个观点，也就是太阳产生的气体磁场泡（日光层）在太空中运动，造就了3层截然不同的边界，顶点是最外围的弓激波。这道激波类似于超音速飞机前方产生的音爆。地球本身当然也在磁场环境朝向太阳的一面拥有一道这样的弓激波，其他行星和恒星也一样。然而来自NASA星际边缘探测器（Interstellar Boundary Explorer，IBEX）的新数据表明，太阳系并不具有弓激波。
在2012年5月10日《科学快报》在线刊登的一篇论文中，科学家汇集了来自IBEX、NASA两架旅行者号探测器的数据以及计算机模型说明，日光层的运动不够快，不能在稀薄且高度磁化的周边银河系区域中产生弓激波。
马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德太空飞行中心的IBEX任务科学家兼前旅行者号任务科学家埃里克·克里斯蒂安（Eric Christian）说：“IBEX给出了全局性的视角，展现了这一区域的全貌。同时旅行者号探测器就在边缘那里，实地测量了两个地方的环境。结合IBEX与旅行者号的观测可以让人们进行绝好的科研，而新的IBEX结果强烈表明，那边不存在弓激波。”
自20世纪80年代起，人们一般就认为，日光层的边缘分为3层。第一层是相对来说呈球状的边界，名为终止激波，这里太阳发出的太阳风减速到了音速之下。太阳风从这里继续减慢，直到撞击银河系其他部分的物质并被推回，沿日光层外边缘反射，回流到运动的泡状结构的尾部。第二层边界名为太阳风顶。第三层边界据信是弓激波，它是由在本地银河星云中破浪前行的日光层形成的，类似于飞行过程中推动空气的超音速喷气机。

环绕着太阳系的太阳风层受到强磁场的冲击，图中磁场以黑色对角方向向上的箭头表示。太阳风层与本地星云中的星际物质彼此以52000英里的时速穿过（图中以蓝色箭头表示）。物质的密度以及磁场的冲压结合日光层相对较低的运动速度，表明日光层前方不存在弓激波。（图片提供：SWRI）

两架旅行者号探测器已经证明了第一层边界的存在，还在前往第二层边界的途中看到了它的迹象。然而两架旅行者号探测器在不同的旅途中看到了不同的东西，它们一架朝北飞行，另一架向南运动。它们遭遇了与太阳距离不同的不同区域，说明日光层的形状是被挤扁的，并不对称。科学家确信，这种不对称性是外界磁场冲向日光层的力度和方向所致，就好像是用手推挤一只气球也会让气球变形一样。这是太阳系外边缘存在强磁场施压的第一条证据。IBEX独立观测到了日光层边缘一条明显的带状结构，它据信是由外界磁场形成的。IBEX进行的其他研究帮助人们量化了磁场的强度，表明它与先前认为可能的上限一样强。
论文的合作者、达勒姆（Durham）市新罕布什尔大学的太空科学家纳森·施瓦德隆（Nathan Schwadron）说：“我们已经看到了银河系环境下极强磁场存在的一条又一条证据，磁场会影响日光层以及边界本身的结构。这给出了全新的图景。”
与外界强磁场越来越多的证据一道而来的是，IBEX还重新测量了日光层本身相对本地星云的运动速度。

穿过银河系的恒星被带电气体与磁场泡包围着，泡状结构的前方浑圆，后面拖着长尾。这种泡状结构名为星心球，环绕着太阳的泡状结构叫日光层。这张图片展示了数个极其明显（因此清晰可见）的星心球。（图片提供：NASA/Goddard Space Flight Center）

论文的第一作者、IBEX的首席研究员、德克萨斯州圣安东尼奥（San Antonio）市西南研究所的戴维·麦科马斯（David McComas）说：“我们最近分析了IBEX两年内采集的数据，它们表明，日光层相对本地星云的速度只有每小时52000英里，而不是先前认为的59000英里。这看起来差异不大，但是它相当于日光层边界受到的压力小了四分之一。这意味着非常不同的相互作用，比之前所认为的要弱上许多。”
本质上说，它意味着考虑所穿越的介质的密度和压强，日光层运动速度不够快，不能产生弓激波，这类似于速度不够不能产生音爆的飞机。
日光层的边界距离地球大约有100万英里。不过对于我们了解在宇宙中的处境来说却至关重要。实际上日光层顶提供了一些防护，让太阳系免遭周边严酷的辐射环境之害。通过了解日光层边界的性质，科学家可以更好地了解拥有足够能量和速度、可以进入太阳系环境的粒子的传播方式。
在科学家将大量的新观点整合进物理模型的时候，他们还在等待IBEX和旅行者号发回的更多证据，他们希望在未来许多年内这些仪器还能继续送回观测数据。
施瓦德隆说：“想像一下某一架旅行者号穿越日光层顶的时刻，要么看到了IBEX预言的东西，要么没有。此时科学进步的机会是巨大的。”