穿過太陽圈：探索太陽系以外的奇異太空

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在很長一段時間裏，太陽系和鄰近恒星之間的廣闊空間一直被認為是可怕且浩瀚的虛無

新浪科技訊 北京時間12月7日消息，據國外媒體報道，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域）並進入星際空間的航天器；6年之後的2018年11月，旅行者2號也離開太陽系，成為第二個進入星際空間的人造物體。

遠離太陽的保護，太陽系的邊緣顯得無比寒冷、空曠和黑暗。在很長一段時間裏，太陽系和鄰近恒星之間的廣闊空間也一直被認為是可怕且浩瀚的虛無。直到不久之前，人類還只能從遠處窺視這些空間。天文學家對此也沒有多少興趣，而更傾向於將望遠鏡投向鄰近的恒星、星系和星雲等發光物體上。

超新星爆發將宇宙射線從各個方向拋向星際空間

然而，就在過去的幾年裏，兩艘建造並發射於20世紀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，它們正探索著遠離地球數十億公里的未知領域，還沒有其他航天器飛行過這麼遠的距離。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。

米歇爾·班尼斯特是新西蘭坎特伯雷大學的天文學家，主要研究太陽系的外圍區域。“當你觀察電磁波譜的不同部分時，那部分空間完全不同於我們肉眼所感知的黑暗，”她說，“你會看到磁場在相互纏鬥、推擠、連結。你可以想象尼亞加拉瀑布下方水潭的景象。”

旅行者號探測器於1977年發射升空，現在正從星際空間向地球發回數據

在這裏翻滾的並不是水，而是太陽風與所謂“星際介質”沖撞所造成的湍流。太陽風是一股強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形式和輻射則被稱為“星際介質”。

在過去的一個世紀裏，科學家們已經向我們描繪了星際介質的組成，這在很大程度上要歸功於射電望遠鏡和X射線望遠鏡的觀測能力。它們揭示了星際介質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雲——被認為是新恒星的誕生地。

太陽會發出超高速的高能粒子，即太陽風，其強度會隨著太陽的活動而起落

不過，太陽系外星際介質的確切性質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的圓盤狀柯伊伯帶，都包含在一個巨大的、由太陽風形成的氣狀泡中，這個氣狀泡被稱為“太陽圈”（heliosphere）。當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，將大多數有害的宇宙射線和其他物質擋在外面。

然而，太陽圈的保護特性也讓科學家更難以研究其範圍以外的情況，甚至從內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，想知道這個家是什麼樣子的，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應用物理實驗室的博士後研究者埃琳娜·普羅伏尼科娃（Elena Provornikova）說，“想要有所了解的唯一方法就是遠離太陽，然後往回看，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，於2012年進入星際空間，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，並不斷向外漂移，越來越深入太陽系以外的空間，同時發回更多的數據。

這兩個老舊的探測器揭示了太陽圈和星際介質之間的邊界，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，太陽系的邊緣並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、高能粒子風暴和渦旋的輻射。

太陽圈在其環繞銀河系的旅程中不斷穿過星際介質，形成了一條長尾巴

2014年，太陽的活動激增，導致劇烈的太陽風席卷太空。這股沖擊波以每秒800公里的速度迅速席卷了水星和金星，並在兩天之後，穿過1.5億公里的距離包裹了地球。幸運的是，地球的磁場保護了我們免受其強烈破壞性輻射的傷害。

一天之後，太陽風吹過火星，並繼續穿過小行星帶，沖向遙遠的氣態巨行星——木星、土星、天王星；兩個多月後，太陽風到達了海王星，它的軌道距離太陽將近45億公里。經過6個多月的時間，太陽風終於到達了距離太陽130多億公里的地方，遭遇“終端激波”，並突然減速。在這裏，推動太陽風的太陽磁場變得很弱，以至於星際介質可以對其施加推力。

從終端激波出來的太陽風，其傳播速度不到之前的一半，就像颶風減弱為熱帶風暴。2015年底，這股太陽風追上了形狀不規則的旅行者2號，後者的大小和一輛小汽車相當。旅行者2號上的傳感器探測到了等離子體的激增，這項技術已經使用了40年之久，由一個緩慢衰變的鈈電池提供動力。

當太陽風追上旅行者2號時，它還在太陽系的範圍之內。一年多後，這陣接近消亡的太陽風終於追上了旅行者1號，它在2012年進入了星際空間。

這兩個探測器選擇了不同的路線，其中一個位於太陽平面上方30度的位置，另一個則位於太陽平面下方相對應的位置。太陽風爆發在不同時間到達了不同的區域，這為研究日球層頂（又稱太陽風層頂）的性質提供了有用的線索。

數據顯示，這一動蕩邊界寬度可達數幾百萬公里，覆蓋了太陽圈表面數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，創造出一個“弓形激波”，並在其後方形成一道尾跡，可能帶有一條（或不止一條）類似於彗星形狀的尾巴。兩艘旅行者號飛船都是從日球層的“鼻子”處起飛的，因此沒有提供任何關於彗尾的信息。

不僅太陽風和星際風在邊界區域會進行動蕩的拉扯，而且粒子似乎也交換了電荷和動量。於是，部分星際介質轉化為太陽風，實際上增加了氣泡向外的推力。

盡管太陽風可以提供有趣的數據，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。看起來，太陽圈外發生的事情要比太陽圈內發生的事情重要得多。太陽風的強弱可以隨時間增減，而不會對氣泡產生明顯的影響；但如果這個氣泡進入星系中星際風密度較大或較小的區域，它就會縮小或增大。

當然，還有許多問題仍然沒有得到解答，比如保護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行的研究，將告訴我們其他恒星系統中生命發展的條件。”

當旅行者2號離開太陽系時，它發現了一個巨大的宇宙射線峰值，而這正是太陽圈保護我們免受的宇宙輻射

地球生命的發展在很大程度上要感謝太陽圈阻擋了星際介質，與此同時，太陽風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、星系坍縮成黑洞以及其他災難性的宇宙事件發生時，都會產生宇宙射線。在太陽系以外的區域，這些高速的亞原子粒子持續不斷地傾瀉著，其威力足以在一個不那麼受保護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，”美國普林斯頓大學的太陽物理學研究者傑米·蘭金（Jamie Rankin）說，“如果沒有太陽風的保護，我不知道我們是否還能活著。”蘭金也是第一位基於旅行者號的星際數據撰寫博士論文的人。

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，進入星際空間。盡管其中兩個探測器已經耗盡能量，並停止返回數據。當然，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行更廣泛的觀測。

IBEX任務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年開始環繞地球運行的微型衛星，其探測目標是穿過星際邊界的“高能中性原子”。IBEX還繪制了太陽圈邊界周圍所發生相互作用的三維地圖。

傑米·蘭金說：“你可以把IBEX的地圖想象成某種‘多普勒雷達’，而旅行者號就像地面氣象站。”她使用來自旅行者號、IBEX和其他來源的數據，分析了太陽風中較小的迸發。目前，她正在撰寫一篇論文，主要探討在2014年開始的那次規模更大的爆發。已經有證據表明，旅行者1號越過邊界時，太陽圈正在縮小；但旅行者2號越過邊界時，太陽圈又在擴大。

“這是一個相當動態的邊界，”蘭金說，“這一發現被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，這簡直令人驚歎。”

IBEX揭示了太陽圈邊界的動態變化。在運行的第一年，它發現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，這些特征出現和消失的時間僅為6個月。這條帶狀區域位於太陽圈的前端，太陽風粒子在這裏被星際磁場反射回太陽系。

旅行者1號於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巨大的奧爾特雲

不過，旅行者號的故事還有一個轉折。盡管它們已經離開了太陽圈，但它們仍然在太陽的影響範圍之內。例如，在其他恒星系中，可以用肉眼就能看到太陽的光。太陽的引力也遠遠超出了太陽圈，牽制著一個遙遠的，由冰、塵埃和空間碎屑組成的稀疏球體雲團。這就是奧爾特雲。

盡管奧爾特雲漂浮在遙遠的星際空間，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雲，但一般認為，對於從地球發射的探測器來說，這個3000至1.5萬億公里以外的區域實在太遙遠了。

自從太陽系形成以來，這些遙遠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鍵，包括行星如何形成，以及生命在宇宙中出現的可能性等等。隨著每一波新數據的出現，新的謎團和問題也隨之產生。

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由遠古宇宙事件遺留下來的星際雲。這團星際雲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。這非常令人興奮，因為這是一個會產生很多發現的領域，而我們對太陽和銀河系之間的這種相互作用知之甚少。”

無論發生什麼，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域時，它們將揭示更多的奧秘，也將帶來更多的謎題。（任天）