楊曉梅

太陽風突然加強時會發(fā)生什么？最近的兩項研究發(fā)現(xiàn)，太陽風加強會使整個太陽系的邊界向外膨脹。研究人員指出，研究沖擊到邊界又反彈回來的太陽風粒子，能揭示太陽系變化后的新形狀。

2014年年底，美國航空航天局探測到太陽風的一次巨大變化。這是近10年來太陽風風壓（其速度和強度的綜合指數(shù)）首次增長近50%，并持續(xù)了數(shù)年之久。2年以后，星際邊界探測器（IBEX）首次探測到了由此引發(fā)的后果：太陽風粒子在風壓作用下到達了日光層邊緣，變成中性粒子，并一路彈射回地球。這些太陽風粒子非常具有研究價值。

在最近發(fā)表的兩篇文章中，科學家利用IBEX獲取的數(shù)據(jù)和復雜的數(shù)學建模來研究這些彈回的原子：它們能說明什么？它們又預示著日光層（被太陽風像薄膜一樣包裹著的太陽系）的形狀和結構發(fā)生怎樣的變化？

普林斯頓大學新澤西校區(qū)IBEX項目的主要負責人大衛(wèi)·麥克馬斯指出：“結果顯示，2014年太陽風風壓的加強已經(jīng)波及日光層的邊緣，在距離太陽最近的方向，日光層的邊緣已經(jīng)發(fā)生了變化并向外擴展?！彼A計，憑借未來幾年IBEX 傳回的大量數(shù)據(jù)，研究者可以測繪出日光層其他部分外緣擴展的形狀。

從太陽到太陽系的邊緣，然后返回

最重要的研究對象是充滿能量的中性原子，也就是產(chǎn)生在太陽系邊緣的高能粒子。

當太陽風從太陽中心以超音速沖向宇宙時，它“吹起”的那個大泡泡就是我們所說的日光層，包裹著太陽系中所有的行星，以及行星之外的浩瀚空間。這個大泡泡將太陽系的領域與宇宙其他空間區(qū)分開來。

但太陽風的旅途并非一帆風順。在奔向日光層邊緣（也被稱為日球層頂）的過程中，太陽風要通過幾個不同的層面。第一個就是激波邊界。

在到達激波邊界之前，太陽風風速極快，幾乎不受任何外力阻擋。

“但到達距離我們大約150億千米的激波邊界之后，太陽風速度突然下降。穿過此邊界之后太陽風繼續(xù)向外擴展，溫度也變得很高。”來自普林斯頓大學的艾瑞克·茲恩斯坦在論文中指出。他是其中一篇論文的第一作者。

穿過激波邊界，太陽風粒子就進入一層特殊的不穩(wěn)定層——日鞘。整個激波邊界以內區(qū)域基本是個球體，但日光層在太陽上方的邊緣形狀更像一個拱形，拱頂距太陽近，后面則是很長很寬的地帶，有點像拖著尾巴的彗星。在日光層邊緣，太陽風粒子與星際粒子相互混合并發(fā)生碰撞：熾熱、帶電的太陽風粒子與速度慢、溫度低的中性原子發(fā)生碰撞，獲得一個電子從而變成中性。

“從這個位置它們沖向宇宙，其中一些又原路返回地球，這就是IBEX 探測到的高能量中性原子?！逼澏魉固怪赋觥?/p>

2016年年底，IBEX探測到這些中性原子的信號出現(xiàn)了異常增強，麥克馬斯教授及其團隊開始調查其原因。調查結果發(fā)表在2018年3月20日的《天文物理學通訊》上。文章指出，這些高能中性原子來自星際迎風向偏南30°，也就是日鞘距離太陽最近的地方。

為了證實這種現(xiàn)象和2014年太陽風風壓增強有關，麥克馬斯研究團隊利用數(shù)學建模來求證這兩者之間的因果關系。

兩篇文章的合著者，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的雅各布·希瑞克胡森指出：“這種建模首先需要建立一個物理模型，然后轉化為方程，進而在超級計算機上進行計算。”

利用計算機技術，研究團隊模擬出了整個日光層，設定它突然受到太陽風壓增強的沖擊，然后進行計算。整個模擬過程自始至終都靠數(shù)據(jù)來說話。

模擬顯示，一旦到達激波邊界，太陽風就會產(chǎn)生壓力波。壓力波一路到達日光層的邊界，部分又反彈回去，這種作用力使太陽風粒子在它們剛剛經(jīng)過的日鞘區(qū)域（密度已增高）發(fā)生碰撞。這就是IBEX探測到的中性粒子出現(xiàn)的地方。

這個模擬結果有力地證明了2年多之后，IBEX的確探測到了2014年太陽風風壓增強產(chǎn)生的影響。

除此之外，建模還發(fā)現(xiàn)2014年的太陽風風壓增強最終會把日光層的邊界吹大。3年之后的激波邊界層，也就是這個日光層內部的泡泡，應該擴大了7個天文單位，也就是7個地球到太陽的距離。日球層頂——泡泡的最外層，已經(jīng)擴大了2個天文單位，今后還會再擴大。

總而言之，由于太陽風風壓的增強，日光層的范圍比前幾年增大了很多。

日光層的新形狀

麥克馬斯和他的同事研究的是2014年太陽風風壓增強的最初跡象。隨著接下來幾年的跟蹤觀測研究，我們會知道更多，包括日光層形成的新形狀。

“很多研究一直在預測日光層會發(fā)展成什么形狀，其中有些研究已經(jīng)開始很久了，”茲恩斯坦指出，“但是在建模界仍然沒有一致的意見，我們希望這次太陽風風壓的增強及研究結果能對此有所幫助?！?/p>

利用上次發(fā)表的文章中的數(shù)據(jù)和模擬，茲恩斯坦研究團隊把目光投向未來，對8年之后的日光層進行建模。這個結果不但可以用來描述過去，還可以預測未來。這篇文章發(fā)表在2018年3月的《天體物理學雜志》上。

“我們認為，在不久的將來，日光層會變成一個環(huán)形，在天空不斷擴張，標志著高能中性原子長期不斷的運動?！逼澏魉固乖谖恼轮兄赋?，“這個環(huán)形從太陽風粒子以及與它最近的日光層的接觸面開始，不斷向拱形后部擴展?！?/p>

盡管2016年IBEX最初監(jiān)測到的高能中性粒子區(qū)域是一個立體圓形，但這種形狀也不會一成不變。隨著太陽風粒子到達距離更遠的日球層頂，它們需要更長時間才能反彈回來，如同從更遠處傳回回音。圓形的日光層讓這種“回聲” 呈現(xiàn)環(huán)形。

然而，最主要的發(fā)現(xiàn)來自觀察這個環(huán)形慢慢擴張的過程。

在茲恩斯坦團隊的模擬中，他們發(fā)現(xiàn)這個環(huán)形擴張的速度部分取決于日光層內部不同分層之間的距離：激波邊界，日球層頂，還有日鞘中形成中性粒子的區(qū)域。茲恩斯坦認識到，這是測量日光層的大小和形狀的一種新方法。

他指出：“根據(jù)這個環(huán)形在天空中的變化，我們可以估計日光層中不同區(qū)域之間的距離?！?/p>

茲恩斯坦團隊使用他們模擬的日光層進行測試性研究。通過測量環(huán)形擴張的速度，他們能夠準確地在模型中重現(xiàn)各個層面之間的距離，進而開展下一步工作——證明這種技術能夠得出正確答案。在真正測量日光層各層面時，得出的結果也應該是正確的。

他非常興奮，因為這很有可能揭示了日光層的真正形狀。

“未來幾年，隨著IBEX數(shù)據(jù)的積累，我希望可以繪制一個日光層形狀的3D圖片?！?/p>

這兩項研究的結果都具有重要的實際意義。“把太陽的變化和觀測到的高能中性原子聯(lián)系起來，可以幫助我們更好地了解宇宙輻射環(huán)境的長期變化——可以說是宇宙氣候，而不是宇宙天氣。隨著太陽風風壓增強或減弱，它吹起的泡泡會變大或變小，這會直接影響進入日光層的宇宙射線的數(shù)量，而這些射線會對長時間進行宇宙科考的飛行員造成潛在的傷害。”麥克馬斯總結道。

這些結果也凸顯了太陽難以置信的威力。太陽和太陽風的變化能影響到上百億千米之外的宇宙，那里僅有兩個人類飛行器曾經(jīng)到達過。日光層是人類在銀河系的家，隨著高能中性粒子成像這類技術的發(fā)展，我們不僅能繪制，而且可以準確測量出日光層內部更遙遠區(qū)域的分層結構和相互距離。