潘陳·巴斯

太陽及其行星形成的太陽圈與星際空間的星際物質(zhì)相碰撞時會產(chǎn)生弓形激波

太陽系之外的星際空間對于地球上的人類一直是神秘的黑暗真空，其秘密現(xiàn)在終于被首批離開太陽系的人造物體——兩艘無畏的宇宙飛船所揭開。

太陽系的邊緣，遠離太陽的保護，似乎是一個寒冷、空曠、黑暗的地方。很長一段時間，人類一直以為，太陽系及離我們最近的恒星之間的這片廣闊空間是一個可怕的虛空。

直到最近，太陽系的邊緣還是人類只能從遠處窺視的神秘太空。天文學(xué)家對此往往也是匆匆掠過，寧愿將望遠鏡對準鄰近的恒星、星系和星云等發(fā)光的物質(zhì)上。

但過去幾年間，20世紀70年代建造并發(fā)射的兩艘航天器已飛到了我們稱之為星際空間的這個陌生區(qū)域，傳回的影像讓我們首次瞥見這個神秘空間的真面目。作為首批離開太陽系的人類建造物體，兩艘航天器正在探索遠離地球數(shù)十億英里的未知領(lǐng)域。在此之前還沒有任何宇宙飛船飛到如此遙遠的太空。

兩艘航天器還揭示出，在我們太陽系的邊界之外，存在著一個雖然肉眼看不見，但物質(zhì)卻相當活躍、混沌而激蕩的區(qū)域。

研究太陽系外圍區(qū)域的新西蘭基督城坎特伯雷大學(xué)的天文學(xué)家米歇爾·班尼斯特說，“觀察電磁波譜的不同部分，你會發(fā)現(xiàn)，那部分空間與我們?nèi)庋劭吹降暮诎荡蟛幌嗤Ｔ谶@里，電磁現(xiàn)象相互作用，相互推動，相互糾纏激蕩，非?；钴S。你可以想象一下尼亞加拉瀑布急沖而下形成的湍急河水?！?p>

超新星爆炸所產(chǎn)生的宇宙射線四面八方噴射到星際空間

但與尼亞加拉大瀑布下奔涌翻滾的水不同，太陽系外圈的湍流是太陽風(fēng)的結(jié)果。所謂太陽風(fēng)，是太陽持續(xù)噴射到太陽外圍的超高速帶電粒子流，或稱等離子流，在到達太陽系邊緣時會減速崩潰，混合到在星系間流動的氣體、塵埃和宇宙射線，即所謂“星際介質(zhì)”之中。

在過去的100年，主要依靠射電望遠鏡和x射線望遠鏡的觀察，科學(xué)家們已經(jīng)勾畫了一幅關(guān)于星際介質(zhì)的組成圖片，揭示了星際介質(zhì)是由極度分散的電離氫原子、宇宙塵和宇宙射線，以及密度很大的星際分子云所組成。分子云是新的恒星誕生之所。我們的太陽系就是45億年前一個巨大的分子云坍塌形成。

但在我們太陽系之外的星際介質(zhì)的確切性質(zhì)在很大程度上一直是個謎，主要是因為整個太陽系，即太陽及其八大行星，和一個稱為柯伊伯帶的極其遙遠的微型天體密集圓盤狀區(qū)域，都被包裹在一個巨大的由太陽風(fēng)形成的保護泡中，這個如同氣球一樣的泡泡被稱為太陽圈（heliosphere，也翻譯為日球?qū)樱?。當太陽帶著其行星在銀河系快速運動時，這個太陽風(fēng)形成的大氣泡就像一塊無形的盾牌一樣抵擋著星際介質(zhì)，把大多數(shù)有害的宇宙射線和其他物質(zhì)擋在了太陽系外面，保護了地球的生命。

但太陽圈（日球?qū)樱┚让奶匦砸沧屟芯窟@個氣泡之外的星際空間變得更加困難。甚至從我們所處的太陽系內(nèi)部也很難確定太陽圈的大小和形狀。

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的博士后研究員艾倫娜·普洛沃尼科娃說，“這就像你在自己的家里，想知道房子是什么樣子，必須到外面去看一看，才能真正判斷出來。要知道太陽圈到底是什么樣，唯一方法是走出太陽系，然后回頭看，要從太陽圈之外去拍攝它的圖像。”

這可不是一項簡單的任務(wù)。與整個銀河系相比，我們的太陽系就像比漂浮在太平洋中央的一粒米還要小的東西。然而，太陽圈（日球?qū)樱┑耐膺吘壢匀皇欠浅５倪b遠，以至于兩艘航天器“旅行者1號”和“旅行者2號”從地球起飛后，花了40多年時間才到達這里。

以較直的路線穿過太陽系的旅行者1號在2012年率先進入星際空間，接著旅行者2號在2018年也進入星際空間。目前，兩個航天器分別離地球約130億英里和110億英里，還在繼續(xù)向外飛離，進入離太陽系更遠的外太空。兩艘航天器在飛離太陽系之同時，也發(fā)回地球更多數(shù)據(jù)。

這兩個已經(jīng)“年逾不惑”的太空探測器揭示了太陽圈和星際介質(zhì)之間的邊界的真面貌，這為我們了解太陽系是如何形成的以及地球上生命何以能夠存在提供了新的線索。實際上，我們太陽系的邊緣并不是一個清晰的邊界，而是攪動著旋轉(zhuǎn)的磁場、碰撞的恒星風(fēng)暴、高能粒子風(fēng)暴和旋轉(zhuǎn)輻射的活躍混沌帶。

如一輛汽車大小的兩艘旅行者號航天器在1977年發(fā)射升空，現(xiàn)正從遠離太陽系的星際空間向地球發(fā)回探測數(shù)據(jù)

太陽圈氣泡的大小和形狀會隨著太陽風(fēng)輸出的變化而改變，也會隨著太陽系穿越星際介質(zhì)的不同區(qū)域而改變。當太陽風(fēng)上升或下降時，也會改變太陽圈氣泡所受到的外在壓力。

2014年，太陽的活動激增，生成了一場席卷行星際空間的太陽風(fēng)暴。風(fēng)暴以每秒800公里的速度首先沖擊水星和金星。兩天之后，穿越1.5億萬公里，太陽風(fēng)暴包圍了地球，但很幸運的是，我們地球的磁場能夠阻擋太陽風(fēng)，保護地球生命免受太陽風(fēng)的強大輻射破壞。

一天后，這波強大的太陽風(fēng)暴從火星呼嘯而過，穿過小行星帶，朝著遙遠的氣態(tài)巨行星（木星、土星、天王星）而去。兩個多月后，又撲向海王星，海王星的軌道距離太陽近45億公里。

經(jīng)過6個多月的時間，這股太陽風(fēng)暴終于到達了距離太陽130多億公里，被稱為“終端激波”的空間。在這里，推動太陽風(fēng)的太陽磁場已變得很微弱，以至于星際介質(zhì)的壓力與太陽風(fēng)相互作用，使得風(fēng)暴速度減緩。

到達終端激波帶的太陽風(fēng)暴速度減慢到不及之前的一半，猶如大西洋颶風(fēng)減弱為熱帶風(fēng)暴。2015年底，這場太陽風(fēng)暴追上了體積如一輛小型汽車、形狀不規(guī)則的旅行者2號。旅行者2號中由緩慢衰變的钚電池驅(qū)動、“高齡”四旬的感應(yīng)器勘測到了這場太陽風(fēng)暴，發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)等離子體量暴增。

然后探測器將數(shù)據(jù)傳回地球，即使是以光速傳輸，也要花18個小時才能到達地球。天文學(xué)家之所以能收到旅行者號的信息，多虧了巨大的70米高的碟形衛(wèi)星陣列和先進的技術(shù)，這些技術(shù)在旅行者號1977年離開地球時是還是無法想象的，更不用說發(fā)明了。

這場太陽風(fēng)暴與旅行者2號相遇時，這個太空探測器還在我們的太陽系中。一年多后，太陽風(fēng)暴最后的垂死余風(fēng)也追上了早在2012年已進入星際空間的旅行者1號。

這兩個太空探測器穿越太陽系走的是不同路線，一個位于太陽系黃道平面上方30度的方向，另一個則位于黃道下方30度。2014年爆發(fā)的這場太陽風(fēng)暴在不同的時間及不同的區(qū)域與兩個旅行者號前后相遇，這為研究太陽風(fēng)層頂（heliopause，也翻譯為日球?qū)禹?，即太陽風(fēng)遭遇星際介質(zhì)而停滯的邊界）的性質(zhì)提供了有用的線索。

旅行者號傳回的數(shù)據(jù)顯示，這個稱為太陽風(fēng)層頂?shù)耐牧鬟吔缬袔装偃f公里厚，覆蓋著表面積達數(shù)十億平方公里的太陽圈（日球?qū)樱?/p>

太陽圈（日球?qū)樱┮泊蟮贸龊跻饬?，這表明銀河系這部分的星際介質(zhì)密度比人們想象的要低。太陽在銀河系的星際空間中運行時會切割出一條路徑，就像一艘船在水中航行留下一個“弓形波浪”一樣，在它后面也形成一個尾跡，可能帶有一個或多個類似于彗星形狀的尾巴。兩艘旅行者號都是從太陽圈氣泡的“鼻子”處起飛，因此沒有提供任何太陽圈尾巴的數(shù)據(jù)。

普洛沃尼科娃說，“根據(jù)旅行者號的數(shù)據(jù)估計，太陽風(fēng)層頂大約有一個天文單位厚。但這不是太陽圈真的表面。這是一個有著復(fù)雜活動的區(qū)域。我們不知道那里發(fā)生了什么?！币粋€天文單位代表地球和太陽之間的平均距離，為9300萬英里。

在這個太陽系和星際空間之間的邊界區(qū)域，不僅有太陽風(fēng)和星際風(fēng)（interstellar wind，來自星際空間的粒子流）相互沖撞拉扯產(chǎn)生的湍流，而且太陽風(fēng)和星際介質(zhì)的粒子似乎還會交換電荷和動量。結(jié)果，部分星際介質(zhì)會轉(zhuǎn)化為太陽風(fēng)，從而能增加太陽圈氣泡向外的推力。

雖然一場太陽風(fēng)暴可以提供有趣的數(shù)據(jù)，但令人吃驚的是，太陽風(fēng)暴似乎對太陽圈氣泡的總體大小和形狀的影響卻很小。看來，圈外發(fā)生的事情比圈內(nèi)發(fā)生的事情對太陽圈的影響要重要得多。太陽風(fēng)隨時間的增強減弱都不會對太陽圈氣泡產(chǎn)生明顯的影響。但如果太陽圈氣泡進入銀河系某區(qū)域，則所遇的星際風(fēng)密度的大小會影響太陽圈增大或是縮小。

但是有關(guān)包圍和保護著我們太陽系的太陽圈氣泡，至今仍然有很多問題還未得到解答，例如這個由太陽風(fēng)形成的氣泡是宇宙中特別之現(xiàn)象還是一種模式。

太陽不斷向外拋射稱為太陽風(fēng)的高能粒子流。太陽風(fēng)會因太陽活動的強弱而加劇或放緩

當太陽系在銀河系中的星際介質(zhì)中運行時，包裹太陽系的太陽圈氣泡會形成一條長長的尾巴

普洛沃尼科娃說，增加對太陽圈的了解，就會增加對人類在宇宙中是否為孤獨的智慧生命這一問題的認識。

她說，“對自己所在星系所做的研究將告訴我們，其他恒星系統(tǒng)中生命發(fā)展會需要什么條件?！?/p>

這在很大程度上是因為太陽風(fēng)阻擋星際介質(zhì)進入太陽系，也阻止了來自太空深處威脅地球生命的輻射和致命的高能粒子（如宇宙射線）的撞擊。宇宙射線是來自太空，接近光速的帶電高能次原子粒子。當發(fā)生恒星爆炸、星系坍縮成黑洞以及其他災(zāi)難性的宇宙事件時，就會產(chǎn)生宇宙射線。在我們太陽系之外的星際空間充滿了不斷噴射的高速次原子粒子，對一個缺乏保護的星球，其威力將造成致命的輻射破壞。

普林斯頓大學(xué)太陽物理學(xué)研究員、也是第一個根據(jù)旅行者號收集的星際數(shù)據(jù)撰寫博士論文的科學(xué)家杰米·蘭金說，“旅行者號數(shù)據(jù)明確地告訴我們，其中90%的宇宙輻射被太陽過濾掉了。如果沒有太陽風(fēng)的保護，我不知道我們?nèi)祟愂欠襁€能生存?！?/p>

美國太空總署另外3個太空探測器很快將進入星際空間，加入旅行者號的行列，不過其中兩個探測器因為已經(jīng)耗盡了能量，不再傳送數(shù)據(jù)回地球。在太陽圈的巨大邊界上，這些微小的點只能提供有限的信息。幸運的是，更廣泛的觀察可以在離我們地球之家較近的空間進行。

太空總署2008年發(fā)射一枚繞地球運行的微型衛(wèi)星“星際邊界探測器”，用來繪制太陽圈與星際空間相接的邊界圖。Ibex探測到從星際邊界噴射而來被稱為“高能中性原子”的粒子帶。

蘭金說，“你可以把Ibex測繪想象成某種測量恒星視向速度的‘多普勒雷達，而旅行者號就像地面氣象站?！碧m金使用來自旅行者號、Ibex和其他方面的數(shù)據(jù)來分析較小規(guī)模的太陽風(fēng)暴。她目前正在根據(jù)2014年開始的太陽風(fēng)暴數(shù)據(jù)撰寫一篇論文。已經(jīng)有證據(jù)表明，旅行者1號越過太陽圈邊界時，太陽圈正在縮小，但旅行者2號越過邊界之時，太陽圈卻在擴大。

Ibex探測到一條高能中性原子帶被星系磁場從太陽圈邊緣反射回太陽系

旅行者2號飛離太陽系時測量到宇宙射線的暴增。太陽圈氣泡擋住了宇宙射線進入太陽系，從而保護了地球的生命

她說，“這是一個相當動態(tài)的邊界。Ibex的3D圖竟捕捉到這一發(fā)現(xiàn)，實在了不起，這讓我們能夠同時追蹤到事件發(fā)生時旅行者號當場的反應(yīng)?！?/p>

Ibex揭示了太陽圈邊界究竟有多活躍。Ibex第一年發(fā)現(xiàn)了一條巨大的高能中性原子帶蜿蜒穿過太陽圈邊界，這個中性原子帶會隨時間變化，在短短6個月時間一些特征會出現(xiàn)和消失。這條帶狀區(qū)域位于太陽圈層頂?shù)那岸耍谶@里太陽風(fēng)粒子會被星系磁場反射回太陽系。

但是旅行者號的長征故事還很漫長。雖然兩個航天探測器已經(jīng)離開了太陽圈（日球?qū)樱?，但仍然在太陽的勢力范圍之中。例如，用肉眼仍能夠看到太陽的光，認得出太陽。而且我們太陽的引力也遠遠超出了太陽圈，能夠拉住一個由冰、塵埃和太空碎片組成的非常稀疏而巨大的球體云團。這個云狀天體稱為奧爾特云。

盡管漂浮在遙遠的星際空間，奧爾特云中的物質(zhì)仍然圍繞太陽運行。雖然太陽系一些彗星即來自奧爾特云，但發(fā)射探測器到3000億到1.5萬億公里的奧爾特云，也實在是太遙遠了。

這些極其遙遠的天體，自從太陽系形成以來就幾乎沒有改變過，它們可能掌握著行星如何形成，以及生命為何能夠在我們的宇宙中出現(xiàn)等這一切問題的解答之鑰。隨著每一波新數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，也隨之出現(xiàn)新的謎團和問題。

普洛沃尼科娃說，可能有一層氫氣覆蓋了部分或全部的太陽圈，其對太陽圈的作用尚未被破譯。此外，太陽圈似乎正在穿越銀河系中一個由遠古宇宙事件遺留下來的粒子和塵埃組成的星際云團，即天文學(xué)所謂的本星際云團。本星際云團對太陽圈邊界，以及生活在其中的我們地球生命有何影響，也仍然有待研究。

普洛沃尼科娃說，本星際云團“可以改變太陽圈的大小和形狀。它可能有不同的溫度，不同的磁場，不同的電離體和所有這些不同的參數(shù)。這令人非常興奮，因為這是一個未知數(shù)很多的領(lǐng)域，而我們對太陽和本星系（即銀河系）之間的相互作用還知之甚少。”

但無論怎樣，這兩輛體積宛如小汽車、由金屬螺栓連接在小型拋物面天線上的旅行者號探測勇士，在我們探索太空的旅程中，將為我們的太陽系充當先鋒，率先勇敢闖入一個陌生而未知的太空領(lǐng)域，揭示其秘密。（摘自英國廣播公司新聞網(wǎng)） （編輯/費勒萌）