揭开太阳系形状之谜

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。

然而，今年3月份发表在《自然•天文学》（Nature Astronomy）上的一项研究（DOI: 10.1038/s41550-020-1036-0），在7月份又登上了杂志的封面，提出了另一种没有长长尾巴的形状：瘪掉的羊角面包状。

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？

如果科学家弄清了我们的日球层形状是更类似于左侧BZ Cam相对较短的星际球层（astrosphere），还是更像右侧Mira的长尾形星际球层，又或完全是某种其他的形状，将会有助于我们研究系外行星（exoplanet）潜在的宜居性。
图片来源：NASA /卡萨莱尼奥（Casalegno）/星系演化探测器（GALEX）

无论日球层真正的形状是什么样子，NASA即将迎来的一项新任务，也就是星际测绘与加速度探测器（Interstellar Mapping and Acceleration Probe，IMAP），都将为解决上述问题带来助益。

IMAP计划于2024年发射，将绘制从日球层边界流回地球的粒子地图。IMAP将以IBEX任务的技术和发现为基础，为日球层、星际空间的性质以及银河系宇宙射线进入太阳系的方式提供新的思路。

奥弗的希尔德•德赖弗科学中心旨在为IMAP的发射及时创建可测试的日球层模型，他们对日球层形状和其他特征的预测，以及从边界反射后流回地球的粒子是如何反映出日球层形状的研究，将给科学家比较IMAP的数据提供基准。

参考来源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/uncovering-our-solar-system-s-shape