北京時間 12 月 7 日消息，據(jù)國外媒體報道，2012 年 8 月，旅行者 1 號成為第一艘穿越太陽圈（太陽所能支配或控制的太空區(qū)域）并進(jìn)入星際空間的航天器；6 年之后的 2018 年 11 月，旅行者 2 號也離開太陽系，成為第二個進(jìn)入星際空間的人造物體。
遠(yuǎn)離太陽的保護(hù)，太陽系的邊緣顯得無比寒冷、空曠和黑暗。在很長一段時間里，太陽系和鄰近恒星之間的廣闊空間也一直被認(rèn)為是可怕且浩瀚的虛無。直到不久之前，人類還只能從遠(yuǎn)處窺視這些空間。天文學(xué)家對此也沒有多少興趣，而更傾向于將望遠(yuǎn)鏡投向鄰近的恒星、星系和星云等發(fā)光物體上。
超新星爆發(fā)將宇宙射線從各個方向拋向星際空間
然而，就在過去的幾年里，兩艘建造并發(fā)射于 20 世紀(jì) 70 年代的航天器，從這個陌生而奇異的星際空間傳回了人類前所未見的景象。作為最早兩個離開太陽系的人造物體，它們正探索著遠(yuǎn)離地球數(shù)十億公里的未知領(lǐng)域，還沒有其他航天器飛行過這么遠(yuǎn)的距離。這兩艘航天器還揭示出，在太陽系的邊界之外，存在著一片混沌而動蕩的活躍區(qū)。
米歇爾 · 班尼斯特是新西蘭坎特伯雷大學(xué)的天文學(xué)家，主要研究太陽系的外圍區(qū)域?！爱?dāng)你觀察電磁波譜的不同部分時，那部分空間完全不同于我們?nèi)庋鬯兄暮诎?，”她說，“你會看到磁場在相互纏斗、推擠、連結(jié)。你可以想象尼亞加拉瀑布下方水潭的景象?！?/p>
旅行者號探測器于 1977 年發(fā)射升空，現(xiàn)在正從星際空間向地球發(fā)回數(shù)據(jù)
在這里翻滾的并不是水，而是太陽風(fēng)與所謂 “星際介質(zhì)”沖撞所造成的湍流。太陽風(fēng)是一股強(qiáng)大的帶電粒子或等離子流，從太陽朝各個方向射出；而在星際空間中存在的各種物質(zhì)形式和輻射則被稱為 “星際介質(zhì)”。
在過去的一個世紀(jì)里，科學(xué)家們已經(jīng)向我們描繪了星際介質(zhì)的組成，這在很大程度上要歸功于射電望遠(yuǎn)鏡和 X 射線望遠(yuǎn)鏡的觀測能力。它們揭示了星際介質(zhì)由極度分散的電離氫原子、塵埃和宇宙射線組成，其中還散布著致密的分子氣體云——被認(rèn)為是新恒星的誕生地。
太陽會發(fā)出超高速的高能粒子，即太陽風(fēng)，其強(qiáng)度會隨著太陽的活動而起落
不過，太陽系外星際介質(zhì)的確切性質(zhì)在很大程度上一直是個謎，這主要是因為太陽、所有八顆行星和遙遠(yuǎn)的圓盤狀柯伊伯帶，都包含在一個巨大的、由太陽風(fēng)形成的氣狀泡中，這個氣狀泡被稱為 “太陽圈”（heliosphere）。當(dāng)太陽及其周圍的行星快速穿過星系時，太陽圈就像一塊無形的盾牌，可以緩沖星際介質(zhì)，將大多數(shù)有害的宇宙射線和其他物質(zhì)擋在外面。
然而，太陽圈的保護(hù)特性也讓科學(xué)家更難以研究其范圍以外的情況，甚至從內(nèi)部確定太陽圈的大小和形狀都非常困難。
“這就好比你在自己家中，想知道這個家是什么樣子的，那你就必須到外面去看一看，才能真正判斷出來，”美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的博士后研究者埃琳娜 · 普羅伏尼科娃（Elena Provornikova）說，“想要有所了解的唯一方法就是遠(yuǎn)離太陽，然后往回看，從太陽圈之外拍攝圖像。”
旅行者 1 號以更直接的方式穿過太陽系，于 2012 年進(jìn)入星際空間，旅行者 2 號在 2018 年加入它的行列。目前，它們分別離地球約 209 億和 177 億公里，并不斷向外漂移，越來越深入太陽系以外的空間，同時發(fā)回更多的數(shù)據(jù)。
這兩個老舊的探測器揭示了太陽圈和星際介質(zhì)之間的邊界，為我們了解太陽系如何形成，以及地球生命何以存在提供了新的線索。實際上，太陽系的邊緣并沒有一個清晰的邊界，而是充滿了翻滾的磁場、不斷碰撞的恒星風(fēng)、高能粒子風(fēng)暴和渦旋的輻射。
太陽圈在其環(huán)繞銀河系的旅程中不斷穿過星際介質(zhì)，形成了一條長尾巴
2014 年，太陽的活動激增，導(dǎo)致劇烈的太陽風(fēng)席卷太空。這股沖擊波以每秒 800 公里的速度迅速席卷了水星和金星，并在兩天之后，穿過 1.5 億公里的距離包裹了地球。幸運的是，地球的磁場保護(hù)了我們免受其強(qiáng)烈破壞性輻射的傷害。
一天之后，太陽風(fēng)吹過火星，并繼續(xù)穿過小行星帶，沖向遙遠(yuǎn)的氣態(tài)巨行星——木星、土星、天王星；兩個多月后，太陽風(fēng)到達(dá)了海王星，它的軌道距離太陽將近 45 億公里。經(jīng)過 6 個多月的時間，太陽風(fēng)終于到達(dá)了距離太陽 130 多億公里的地方，遭遇 “終端激波”，并突然減速。在這里，推動太陽風(fēng)的太陽磁場變得很弱，以至于星際介質(zhì)可以對其施加推力。
從終端激波出來的太陽風(fēng)，其傳播速度不到之前的一半，就像颶風(fēng)減弱為熱帶風(fēng)暴。2015 年底，這股太陽風(fēng)追上了形狀不規(guī)則的旅行者 2 號，后者的大小和一輛小汽車相當(dāng)。旅行者 2 號上的傳感器探測到了等離子體的激增，這項技術(shù)已經(jīng)使用了 40 年之久，由一個緩慢衰變的钚電池提供動力。
當(dāng)太陽風(fēng)追上旅行者 2 號時，它還在太陽系的范圍之內(nèi)。一年多后，這陣接近消亡的太陽風(fēng)終于追上了旅行者 1 號，它在 2012 年進(jìn)入了星際空間。
這兩個探測器選擇了不同的路線，其中一個位于太陽平面上方 30 度的位置，另一個則位于太陽平面下方相對應(yīng)的位置。太陽風(fēng)爆發(fā)在不同時間到達(dá)了不同的區(qū)域，這為研究日球?qū)禹敚ㄓ址Q太陽風(fēng)層頂）的性質(zhì)提供了有用的線索。
數(shù)據(jù)顯示，這一動蕩邊界寬度可達(dá)數(shù)幾百萬公里，覆蓋了太陽圈表面數(shù)十億平方公里的面積。太陽圈也大得出奇，暗示著銀河系這部分的星際介質(zhì)密度比原先估計的更低。太陽在星際空間中切割出一條路徑，就像一艘船在水中航行一樣，創(chuàng)造出一個 “弓形激波”，并在其后方形成一道尾跡，可能帶有一條（或不止一條）類似于彗星形狀的尾巴。兩艘旅行者號飛船都是從日球?qū)拥?“鼻子”處起飛的，因此沒有提供任何關(guān)于彗尾的信息。
不僅太陽風(fēng)和星際風(fēng)在邊界區(qū)域會進(jìn)行動蕩的拉扯，而且粒子似乎也交換了電荷和動量。于是，部分星際介質(zhì)轉(zhuǎn)化為太陽風(fēng)，實際上增加了氣泡向外的推力。
盡管太陽風(fēng)可以提供有趣的數(shù)據(jù)，但它似乎對太陽圈氣泡的總體大小和形狀影響很小，這有些令人意外?？雌饋?，太陽圈外發(fā)生的事情要比太陽圈內(nèi)發(fā)生的事情重要得多。太陽風(fēng)的強(qiáng)弱可以隨時間增減，而不會對氣泡產(chǎn)生明顯的影響；但如果這個氣泡進(jìn)入星系中星際風(fēng)密度較大或較小的區(qū)域，它就會縮小或增大。
當(dāng)然，還有許多問題仍然沒有得到解答，比如保護(hù)我們的太陽圈氣泡在宇宙中是否常見？普羅伏尼科娃表示，對太陽圈的了解越多，我們就越能清楚知道自己在宇宙中是不是孤獨的。她說：“在我們自己的恒星系中進(jìn)行的研究，將告訴我們其他恒星系統(tǒng)中生命發(fā)展的條件?！?/p>
當(dāng)旅行者 2 號離開太陽系時，它發(fā)現(xiàn)了一個巨大的宇宙射線峰值，而這正是太陽圈保護(hù)我們免受的宇宙輻射
地球生命的發(fā)展在很大程度上要感謝太陽圈阻擋了星際介質(zhì)，與此同時，太陽風(fēng)還阻止了來自外太空的致命輻射和高能粒子（如宇宙射線）的轟擊。宇宙射線由質(zhì)子和原子核組成，以接近光速的速度在太空中流動。恒星爆發(fā)、星系坍縮成黑洞以及其他災(zāi)難性的宇宙事件發(fā)生時，都會產(chǎn)生宇宙射線。在太陽系以外的區(qū)域，這些高速的亞原子粒子持續(xù)不斷地傾瀉著，其威力足以在一個不那么受保護(hù)的星球上造成致命的輻射傷害。
“旅行者號的探測明確表明，宇宙射線中有 90% 都被太陽過濾掉了，”美國普林斯頓大學(xué)的太陽物理學(xué)研究者杰米 · 蘭金（Jamie Rankin）說，“如果沒有太陽風(fēng)的保護(hù)，我不知道我們是否還能活著。”蘭金也是第一位基于旅行者號的星際數(shù)據(jù)撰寫博士論文的人。
美國國家航空航天局（NASA）的另外三個探測器也將很快加入旅行者號的行列，進(jìn)入星際空間。盡管其中兩個探測器已經(jīng)耗盡能量，并停止返回數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在巨大的太陽系邊界上，這些微小的探測器即使可用，也只能提供有限的信息。幸運的是，我們可以在離地球更近的地方進(jìn)行更廣泛的觀測。
IBEX 任務(wù)探測到一條高能原子條帶被銀河系磁場從太陽圈邊緣反射回來
NASA 的 “星際邊界探測器”（Interstellar Boundary Explorer，簡稱 IBEX）是一顆自 2008 年開始環(huán)繞地球運行的微型衛(wèi)星，其探測目標(biāo)是穿過星際邊界的 “高能中性原子”。IBEX 還繪制了太陽圈邊界周圍所發(fā)生相互作用的三維地圖。
杰米 · 蘭金說：“你可以把 IBEX 的地圖想象成某種‘多普勒雷達(dá)’，而旅行者號就像地面氣象站。”她使用來自旅行者號、IBEX 和其他來源的數(shù)據(jù)，分析了太陽風(fēng)中較小的迸發(fā)。目前，她正在撰寫一篇論文，主要探討在 2014 年開始的那次規(guī)模更大的爆發(fā)。已經(jīng)有證據(jù)表明，旅行者 1 號越過邊界時，太陽圈正在縮?。坏眯姓?2 號越過邊界時，太陽圈又在擴(kuò)大。
“這是一個相當(dāng)動態(tài)的邊界，”蘭金說，“這一發(fā)現(xiàn)被 IBEX 捕捉，繪制到了三維地圖中，這讓我們能夠同時追蹤旅行者號在局部得到的反應(yīng)，這簡直令人驚嘆?！?/p>
IBEX 揭示了太陽圈邊界的動態(tài)變化。在運行的第一年，它發(fā)現(xiàn)了一條巨大的高能原子條帶蜿蜒穿過邊界，而邊界隨時間而變化，這些特征出現(xiàn)和消失的時間僅為 6 個月。這條帶狀區(qū)域位于太陽圈的前端，太陽風(fēng)粒子在這里被星際磁場反射回太陽系。
旅行者 1 號于 2012 年穿越到距離太陽 100 個天文單位的星際空間，但它的前方仍有一團(tuán)巨大的奧爾特云
不過，旅行者號的故事還有一個轉(zhuǎn)折。盡管它們已經(jīng)離開了太陽圈，但它們?nèi)匀辉谔柕挠绊懛秶畠?nèi)。例如，在其他恒星系中，可以用肉眼就能看到太陽的光。太陽的引力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽圈，牽制著一個遙遠(yuǎn)的，由冰、塵埃和空間碎屑組成的稀疏球體云團(tuán)。這就是奧爾特云。
盡管奧爾特云漂浮在遙遠(yuǎn)的星際空間，但其中仍有許多天體圍繞太陽運行。有些彗星的軌道可以一直延伸到奧爾特云，但一般認(rèn)為，對于從地球發(fā)射的探測器來說，這個 3000 至 1.5 萬億公里以外的區(qū)域?qū)嵲谔b遠(yuǎn)了。
自從太陽系形成以來，這些遙遠(yuǎn)的天體幾乎就沒有改變過，它們可能回答諸多未解難題的關(guān)鍵，包括行星如何形成，以及生命在宇宙中出現(xiàn)的可能性等等。隨著每一波新數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，新的謎團(tuán)和問題也隨之產(chǎn)生。
普羅伏尼科娃表示，部分或全部太陽圈可能被一層氫氣覆蓋，其影響尚未可知。此外，太陽圈似乎正在傾斜向一團(tuán)由遠(yuǎn)古宇宙事件遺留下來的星際云。這團(tuán)星際云中的粒子和塵埃會對太陽圈邊界，以及生活在其中的人類有何影響，目前還無法預(yù)測。
“它可以改變太陽圈的大小，改變太陽圈的形狀，”普羅伏尼科娃說，“它可能有不同的溫度，不同的磁場，不同的電離和一切完全不同的參數(shù)。這非常令人興奮，因為這是一個會產(chǎn)生很多發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，而我們對太陽和銀河系之間的這種相互作用知之甚少?！?/p>
無論發(fā)生什么，兩個勇敢的旅行者號探測器都將是我們太陽系的先鋒，在探索太空中陌生而未知的領(lǐng)域時，它們將揭示更多的奧秘，也將帶來更多的謎題。
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