潘陳·巴斯

太陽(yáng)及其行星形成的太陽(yáng)圈與星際空間的星際物質(zhì)相碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生弓形激波

太陽(yáng)系之外的星際空間對(duì)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(yáng)系的人造物體——兩艘無畏的宇宙飛船所揭開。

太陽(yáng)系的邊緣，遠(yuǎn)離太陽(yáng)的保護(hù)，似乎是一個(gè)寒冷、空曠、黑暗的地方。很長(zhǎng)一段時(shí)間，人類一直以為，太陽(yáng)系及離我們最近的恒星之間的這片廣闊空間是一個(gè)可怕的虛空。

直到最近，太陽(yáng)系的邊緣還是人類只能從遠(yuǎn)處窺視的神秘太空。天文學(xué)家對(duì)此往往也是匆匆掠過，寧愿將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)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(jì)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(gè)陌生區(qū)域，傳回的影像讓我們首次瞥見這個(gè)神秘空間的真面目。作為首批離開太陽(yáng)系的人類建造物體，兩艘航天器正在探索遠(yuǎn)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(yuǎn)的太空。

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

研究太陽(yáng)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(huì)發(fā)現(xiàn)，那部分空間與我們?nèi)庋劭吹降暮诎荡蟛幌嗤?。在這里，電磁現(xiàn)象相互作用，相互推動(dòng)，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(yáng)系外圈的湍流是太陽(yáng)風(fēng)的結(jié)果。所謂太陽(yáng)風(fēng)，是太陽(yáng)持續(xù)噴射到太陽(yáng)外圍的超高速帶電粒子流，或稱等離子流，在到達(dá)太陽(yáng)系邊緣時(shí)會(huì)減速崩潰，混合到在星系間流動(dòng)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(yuǎn)鏡和x射線望遠(yuǎn)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(yáng)系就是45億年前一個(gè)巨大的分子云坍塌形成。

但在我們太陽(yáng)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(gè)謎，主要是因?yàn)檎麄€(gè)太陽(yáng)系，即太陽(yáng)及其八大行星，和一個(gè)稱為柯伊伯帶的極其遙遠(yuǎn)的微型天體密集圓盤狀區(qū)域，都被包裹在一個(gè)巨大的由太陽(yáng)風(fēng)形成的保護(hù)泡中，這個(gè)如同氣球一樣的泡泡被稱為太陽(yáng)圈（heliosphere，也翻譯為日球?qū)樱．?dāng)太陽(yáng)帶著其行星在銀河系快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)太陽(yáng)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(yáng)系外面，保護(hù)了地球的生命。

但太陽(yáng)圈（日球?qū)樱┚让奶匦砸沧屟芯窟@個(gè)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(yáng)系內(nèi)部也很難確定太陽(yáng)圈的大小和形狀。

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)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(yáng)圈到底是什么樣，唯一方法是走出太陽(yáng)系，然后回頭看，要從太陽(yáng)圈之外去拍攝它的圖像?！?/p>

這可不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。與整個(gè)銀河系相比，我們的太陽(yáng)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(yáng)圈（日球?qū)樱┑耐膺吘壢匀皇欠浅５倪b遠(yuǎn)，以至于兩艘航天器“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”從地球起飛后，花了40多年時(shí)間才到達(dá)這里。

以較直的路線穿過太陽(yáng)系的旅行者1號(hào)在2012年率先進(jìn)入星際空間，接著旅行者2號(hào)在2018年也進(jìn)入星際空間。目前，兩個(gè)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(jìn)入離太陽(yáng)系更遠(yuǎn)的外太空。兩艘航天器在飛離太陽(yáng)系之同時(shí)，也發(fā)回地球更多數(shù)據(jù)。

這兩個(gè)已經(jīng)“年逾不惑”的太空探測(cè)器揭示了太陽(yáng)圈和星際介質(zhì)之間的邊界的真面貌，這為我們了解太陽(yáng)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(shí)際上，我們太陽(yáng)系的邊緣并不是一個(gè)清晰的邊界，而是攪動(dòng)著旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)、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(hào)航天器在1977年發(fā)射升空，現(xiàn)正從遠(yuǎn)離太陽(yáng)系的星際空間向地球發(fā)回探測(cè)數(shù)據(jù)

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

2014年，太陽(yáng)的活動(dòng)激增，生成了一場(chǎng)席卷行星際空間的太陽(yáng)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(wàn)公里，太陽(yáng)風(fēng)暴包圍了地球，但很幸運(yùn)的是，我們地球的磁場(chǎng)能夠阻擋太陽(yáng)風(fēng)，保護(hù)地球生命免受太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)大輻射破壞。

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

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

到達(dá)終端激波帶的太陽(yáng)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(chǎng)太陽(yáng)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(hào)。旅行者2號(hào)中由緩慢衰變的钚電池驅(qū)動(dòng)、“高齡”四旬的感應(yīng)器勘測(cè)到了這場(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)等離子體量暴增。

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

這場(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴與旅行者2號(hào)相遇時(shí)，這個(gè)太空探測(cè)器還在我們的太陽(yáng)系中。一年多后，太陽(yáng)風(fēng)暴最后的垂死余風(fēng)也追上了早在2012年已進(jìn)入星際空間的旅行者1號(hào)。

這兩個(gè)太空探測(cè)器穿越太陽(yáng)系走的是不同路線，一個(gè)位于太陽(yáng)系黃道平面上方30度的方向，另一個(gè)則位于黃道下方30度。2014年爆發(fā)的這場(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴在不同的時(shí)間及不同的區(qū)域與兩個(gè)旅行者號(hào)前后相遇，這為研究太陽(yáng)風(fēng)層頂（heliopause，也翻譯為日球?qū)禹?，即太?yáng)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(hào)傳回的數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)稱為太陽(yáng)風(fēng)層頂?shù)耐牧鬟吔缬袔装偃f(wàn)公里厚，覆蓋著表面積達(dá)數(shù)十億平方公里的太陽(yáng)圈（日球?qū)樱?/p>

太陽(yáng)圈（日球?qū)樱┮泊蟮贸龊跻饬希@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(yáng)在銀河系的星際空間中運(yùn)行時(shí)會(huì)切割出一條路徑，就像一艘船在水中航行留下一個(gè)“弓形波浪”一樣，在它后面也形成一個(gè)尾跡，可能帶有一個(gè)或多個(gè)類似于彗星形狀的尾巴。兩艘旅行者號(hào)都是從太陽(yáng)圈氣泡的“鼻子”處起飛，因此沒有提供任何太陽(yáng)圈尾巴的數(shù)據(jù)。

普洛沃尼科娃說，“根據(jù)旅行者號(hào)的數(shù)據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)風(fēng)層頂大約有一個(gè)天文單位厚。但這不是太陽(yáng)圈真的表面。這是一個(gè)有著復(fù)雜活動(dòng)的區(qū)域。我們不知道那里發(fā)生了什么?！币粋€(gè)天文單位代表地球和太陽(yáng)之間的平均距離，為9300萬(wàn)英里。

在這個(gè)太陽(yáng)系和星際空間之間的邊界區(qū)域，不僅有太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)和星際介質(zhì)的粒子似乎還會(huì)交換電荷和動(dòng)量。結(jié)果，部分星際介質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)風(fēng)，從而能增加太陽(yáng)圈氣泡向外的推力。

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

但是有關(guān)包圍和保護(hù)著我們太陽(yáng)系的太陽(yáng)圈氣泡，至今仍然有很多問題還未得到解答，例如這個(gè)由太陽(yáng)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(yáng)不斷向外拋射稱為太陽(yáng)風(fēng)的高能粒子流。太陽(yáng)風(fēng)會(huì)因太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱而加劇或放緩

當(dāng)太陽(yáng)系在銀河系中的星際介質(zhì)中運(yùn)行時(shí)，包裹太陽(yáng)系的太陽(yáng)圈氣泡會(huì)形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴

普洛沃尼科娃說，增加對(duì)太陽(yáng)圈的了解，就會(huì)增加對(duì)人類在宇宙中是否為孤獨(dú)的智慧生命這一問題的認(rèn)識(shí)。

她說，“對(duì)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(huì)需要什么條件。”

這在很大程度上是因?yàn)樘?yáng)風(fēng)阻擋星際介質(zhì)進(jìn)入太陽(yáng)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(dāng)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生宇宙射線。在我們太陽(yáng)系之外的星際空間充滿了不斷噴射的高速次原子粒子，對(duì)一個(gè)缺乏保護(hù)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(yáng)物理學(xué)研究員、也是第一個(gè)根據(jù)旅行者號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)明確地告訴我們，其中90%的宇宙輻射被太陽(yáng)過濾掉了。如果沒有太陽(yáng)風(fēng)的保護(hù)，我不知道我們?nèi)祟愂欠襁€能生存?！?/p>

美國(guó)太空總署另外3個(gè)太空探測(cè)器很快將進(jìn)入星際空間，加入旅行者號(hào)的行列，不過其中兩個(gè)探測(cè)器因?yàn)橐呀?jīng)耗盡了能量，不再傳送數(shù)據(jù)回地球。在太陽(yáng)圈的巨大邊界上，這些微小的點(diǎn)只能提供有限的信息。幸運(yùn)的是，更廣泛的觀察可以在離我們地球之家較近的空間進(jìn)行。

太空總署2008年發(fā)射一枚繞地球運(yùn)行的微型衛(wèi)星“星際邊界探測(cè)器”，用來繪制太陽(yáng)圈與星際空間相接的邊界圖。Ibex探測(cè)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(cè)繪想象成某種測(cè)量恒星視向速度的‘多普勒雷達(dá)，而旅行者號(hào)就像地面氣象站?！碧m金使用來自旅行者號(hào)、Ibex和其他方面的數(shù)據(jù)來分析較小規(guī)模的太陽(yáng)風(fēng)暴。她目前正在根據(jù)2014年開始的太陽(yáng)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(hào)越過太陽(yáng)圈邊界時(shí)，太陽(yáng)圈正在縮小，但旅行者2號(hào)越過邊界之時(shí)，太陽(yáng)圈卻在擴(kuò)大。

Ibex探測(cè)到一條高能中性原子帶被星系磁場(chǎng)從太陽(yáng)圈邊緣反射回太陽(yáng)系

旅行者2號(hào)飛離太陽(yáng)系時(shí)測(cè)量到宇宙射線的暴增。太陽(yáng)圈氣泡擋住了宇宙射線進(jìn)入太陽(yáng)系，從而保護(hù)了地球的生命

她說，“這是一個(gè)相當(dāng)動(dòng)態(tài)的邊界。Ibex的3D圖竟捕捉到這一發(fā)現(xiàn)，實(shí)在了不起，這讓我們能夠同時(shí)追蹤到事件發(fā)生時(shí)旅行者號(hào)當(dāng)場(chǎng)的反應(yīng)?！?/p>

Ibex揭示了太陽(yáng)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(yáng)圈邊界，這個(gè)中性原子帶會(huì)隨時(shí)間變化，在短短6個(gè)月時(shí)間一些特征會(huì)出現(xiàn)和消失。這條帶狀區(qū)域位于太陽(yáng)圈層頂?shù)那岸?，在這里太陽(yáng)風(fēng)粒子會(huì)被星系磁場(chǎng)反射回太陽(yáng)系。

但是旅行者號(hào)的長(zhǎng)征故事還很漫長(zhǎng)。雖然兩個(gè)航天探測(cè)器已經(jīng)離開了太陽(yáng)圈（日球?qū)樱匀辉谔?yáng)的勢(shì)力范圍之中。例如，用肉眼仍能夠看到太陽(yáng)的光，認(rèn)得出太陽(yáng)。而且我們太陽(yáng)的引力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽(yáng)圈，能夠拉住一個(gè)由冰、塵埃和太空碎片組成的非常稀疏而巨大的球體云團(tuán)。這個(gè)云狀天體稱為奧爾特云。

盡管漂浮在遙遠(yuǎn)的星際空間，奧爾特云中的物質(zhì)仍然圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。雖然太陽(yáng)系一些彗星即來自?shī)W爾特云，但發(fā)射探測(cè)器到3000億到1.5萬(wàn)億公里的奧爾特云，也實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。

這些極其遙遠(yuǎn)的天體，自從太陽(yáng)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(tuán)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(yáng)圈，其對(duì)太陽(yáng)圈的作用尚未被破譯。此外，太陽(yáng)圈似乎正在穿越銀河系中一個(gè)由遠(yuǎn)古宇宙事件遺留下來的粒子和塵埃組成的星際云團(tuán)，即天文學(xué)所謂的本星際云團(tuán)。本星際云團(tuán)對(duì)太陽(yáng)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(tuán)“可以改變太陽(yáng)圈的大小和形狀。它可能有不同的溫度，不同的磁場(chǎng)，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?yàn)檫@是一個(gè)未知數(shù)很多的領(lǐng)域，而我們對(duì)太陽(yáng)和本星系（即銀河系）之間的相互作用還知之甚少?！?/p>

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(hào)探測(cè)勇士，在我們探索太空的旅程中，將為我們的太陽(yáng)系充當(dāng)先鋒，率先勇敢闖入一個(gè)陌生而未知的太空領(lǐng)域，揭示其秘密。（摘自英國(guó)廣播公司新聞網(wǎng)） （編輯/費(fèi)勒萌）