太陽(yáng)風(fēng)吹大了日光層

楊曉梅

太陽(yáng)風(fēng)突然加強(qiáng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？最近的兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)風(fēng)加強(qiáng)會(huì)使整個(gè)太陽(yáng)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(lái)的太陽(yáng)風(fēng)粒子，能揭示太陽(yáng)系變化后的新形狀。

2014年年底，美國(guó)航空航天局探測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)的一次巨大變化。這是近10年來(lái)太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓（其速度和強(qiáng)度的綜合指數(shù)）首次增長(zhǎng)近50%，并持續(xù)了數(shù)年之久。2年以后，星際邊界探測(cè)器（IBEX）首次探測(cè)到了由此引發(fā)的后果：太陽(yáng)風(fēng)粒子在風(fēng)壓作用下到達(dá)了日光層邊緣，變成中性粒子，并一路彈射回地球。這些太陽(yáng)風(fēng)粒子非常具有研究?jī)r(jià)值。

在最近發(fā)表的兩篇文章中，科學(xué)家利用IBEX獲取的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模來(lái)研究這些彈回的原子：它們能說(shuō)明什么？它們又預(yù)示著日光層（被太陽(yáng)風(fēng)像薄膜一樣包裹著的太陽(yáng)系）的形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生怎樣的變化？

普林斯頓大學(xué)新澤西校區(qū)IBEX項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·麥克馬斯指出：“結(jié)果顯示，2014年太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓的加強(qiáng)已經(jīng)波及日光層的邊緣，在距離太陽(yáng)最近的方向，日光層的邊緣已經(jīng)發(fā)生了變化并向外擴(kuò)展。”他預(yù)計(jì)，憑借未來(lái)幾年IBEX 傳回的大量數(shù)據(jù)，研究者可以測(cè)繪出日光層其他部分外緣擴(kuò)展的形狀。

從太陽(yáng)到太陽(yáng)系的邊緣，然后返回

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

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)從太陽(yáng)中心以超音速?zèng)_向宇宙時(shí)，它“吹起”的那個(gè)大泡泡就是我們所說(shuō)的日光層，包裹著太陽(yáng)系中所有的行星，以及行星之外的浩瀚空間。這個(gè)大泡泡將太陽(yáng)系的領(lǐng)域與宇宙其他空間區(qū)分開(kāi)來(lái)。

但太陽(yáng)風(fēng)的旅途并非一帆風(fēng)順。在奔向日光層邊緣（也被稱為日球?qū)禹敚┑倪^(guò)程中，太陽(yáng)風(fēng)要通過(guò)幾個(gè)不同的層面。第一個(gè)就是激波邊界。

在到達(dá)激波邊界之前，太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)速極快，幾乎不受任何外力阻擋。

“但到達(dá)距離我們大約150億千米的激波邊界之后，太陽(yáng)風(fēng)速度突然下降。穿過(guò)此邊界之后太陽(yáng)風(fēng)繼續(xù)向外擴(kuò)展，溫度也變得很高。”來(lái)自普林斯頓大學(xué)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(guò)激波邊界，太陽(yáng)風(fēng)粒子就進(jìn)入一層特殊的不穩(wěn)定層——日鞘。整個(gè)激波邊界以內(nèi)區(qū)域基本是個(gè)球體，但日光層在太陽(yáng)上方的邊緣形狀更像一個(gè)拱形，拱頂距太陽(yáng)近，后面則是很長(zhǎng)很寬的地帶，有點(diǎn)像拖著尾巴的彗星。在日光層邊緣，太陽(yáng)風(fēng)粒子與星際粒子相互混合并發(fā)生碰撞：熾熱、帶電的太陽(yáng)風(fēng)粒子與速度慢、溫度低的中性原子發(fā)生碰撞，獲得一個(gè)電子從而變成中性。

“從這個(gè)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(cè)到的高能量中性原子。”茲恩斯坦指出。

2016年年底，IBEX探測(cè)到這些中性原子的信號(hào)出現(xiàn)了異常增強(qiáng)，麥克馬斯教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)始調(diào)查其原因。調(diào)查結(jié)果發(fā)表在2018年3月20日的《天文物理學(xué)通訊》上。文章指出，這些高能中性原子來(lái)自星際迎風(fēng)向偏南30°，也就是日鞘距離太陽(yáng)最近的地方。

為了證實(shí)這種現(xiàn)象和2014年太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓增強(qiáng)有關(guān)，麥克馬斯研究團(tuán)隊(duì)利用數(shù)學(xué)建模來(lái)求證這兩者之間的因果關(guān)系。

兩篇文章的合著者，阿拉巴馬大學(xué)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(gè)物理模型，然后轉(zhuǎn)化為方程，進(jìn)而在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。”

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)模擬出了整個(gè)日光層，設(shè)定它突然受到太陽(yáng)風(fēng)壓增強(qiáng)的沖擊，然后進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)模擬過(guò)程自始至終都靠數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話。

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

這個(gè)模擬結(jié)果有力地證明了2年多之后，IBEX的確探測(cè)到了2014年太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓增強(qiáng)產(chǎn)生的影響。

除此之外，建模還發(fā)現(xiàn)2014年的太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓增強(qiáng)最終會(huì)把日光層的邊界吹大。3年之后的激波邊界層，也就是這個(gè)日光層內(nèi)部的泡泡，應(yīng)該擴(kuò)大了7個(gè)天文單位，也就是7個(gè)地球到太陽(yáng)的距離。日球?qū)禹敗菖莸淖钔鈱樱呀?jīng)擴(kuò)大了2個(gè)天文單位，今后還會(huì)再擴(kuò)大。

總而言之，由于太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓的增強(qiáng)，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(yáng)風(fēng)風(fēng)壓增強(qiáng)的最初跡象。隨著接下來(lái)幾年的跟蹤觀測(cè)研究，我們會(huì)知道更多，包括日光層形成的新形狀。

“很多研究一直在預(yù)測(cè)日光層會(huì)發(fā)展成什么形狀，其中有些研究已經(jīng)開(kāi)始很久了，”茲恩斯坦指出，“但是在建模界仍然沒(méi)有一致的意見(jiàn)，我們希望這次太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓的增強(qiáng)及研究結(jié)果能對(duì)此有所幫助。”

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(tuán)隊(duì)把目光投向未來(lái)，對(duì)8年之后的日光層進(jìn)行建模。這個(gè)結(jié)果不但可以用來(lái)描述過(guò)去，還可以預(yù)測(cè)未來(lái)。這篇文章發(fā)表在2018年3月的《天體物理學(xué)雜志》上。

“我們認(rèn)為，在不久的將來(lái)，日光層會(huì)變成一個(gè)環(huán)形，在天空不斷擴(kuò)張，標(biāo)志著高能中性原子長(zhǎng)期不斷的運(yùn)動(dòng)。”茲恩斯坦在文章中指出，“這個(gè)環(huán)形從太陽(yáng)風(fēng)粒子以及與它最近的日光層的接觸面開(kāi)始，不斷向拱形后部擴(kuò)展。”

盡管2016年IBEX最初監(jiān)測(cè)到的高能中性粒子區(qū)域是一個(gè)立體圓形，但這種形狀也不會(huì)一成不變。隨著太陽(yáng)風(fēng)粒子到達(dá)距離更遠(yuǎn)的日球?qū)禹敚鼈冃枰L(zhǎng)時(shí)間才能反彈回來(lái)，如同從更遠(yuǎn)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(lái)自觀察這個(gè)環(huán)形慢慢擴(kuò)張的過(guò)程。

在茲恩斯坦團(tuán)隊(duì)的模擬中，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)環(huán)形擴(kuò)張的速度部分取決于日光層內(nèi)部不同分層之間的距離：激波邊界，日球?qū)禹敚€有日鞘中形成中性粒子的區(qū)域。茲恩斯坦認(rèn)識(shí)到，這是測(cè)量日光層的大小和形狀的一種新方法。

他指出：“根據(jù)這個(gè)環(huán)形在天空中的變化，我們可以估計(jì)日光層中不同區(qū)域之間的距離。”

茲恩斯坦團(tuán)隊(duì)使用他們模擬的日光層進(jìn)行測(cè)試性研究。通過(guò)測(cè)量環(huán)形擴(kuò)張的速度，他們能夠準(zhǔn)確地在模型中重現(xiàn)各個(gè)層面之間的距離，進(jìn)而開(kāi)展下一步工作——證明這種技術(shù)能夠得出正確答案。在真正測(cè)量日光層各層面時(shí)，得出的結(jié)果也應(yīng)該是正確的。

他非常興奮，因?yàn)檫@很有可能揭示了日光層的真正形狀。

“未來(lái)幾年，隨著IBEX數(shù)據(jù)的積累，我希望可以繪制一個(gè)日光層形狀的3D圖片。”

這兩項(xiàng)研究的結(jié)果都具有重要的實(shí)際意義。“把太陽(yáng)的變化和觀測(cè)到的高能中性原子聯(lián)系起來(lái)，可以幫助我們更好地了解宇宙輻射環(huán)境的長(zhǎng)期變化——可以說(shuō)是宇宙氣候，而不是宇宙天氣。隨著太陽(yáng)風(fēng)風(fēng)壓增強(qiáng)或減弱，它吹起的泡泡會(huì)變大或變小，這會(huì)直接影響進(jìn)入日光層的宇宙射線的數(shù)量，而這些射線會(huì)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行宇宙科考的飛行員造成潛在的傷害。”麥克馬斯總結(jié)道。

這些結(jié)果也凸顯了太陽(yáng)難以置信的威力。太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的變化能影響到上百億千米之外的宇宙，那里僅有兩個(gè)人類飛行器曾經(jīng)到達(dá)過(guò)。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(shù)的發(fā)展，我們不僅能繪制，而且可以準(zhǔn)確測(cè)量出日光層內(nèi)部更遙遠(yuǎn)區(qū)域的分層結(jié)構(gòu)和相互距離。