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NASA卡西尼号、旅行者号启发太阳与星系互动的新视角

北极蚊子 2017-6-8 16:31

NASA卡西尼号传回的数据结合两艘旅行者号太空飞行器以及星际边界探测器(Interstellar Boundary Explorer, IBEX)的测量结果表明,太阳及其行星被来自太阳的巨大圆形磁场所包围,这使得我们对另一个观点产生了质疑,即太阳后侧的太阳磁场是狭长彗尾状。

太阳不断地向外释放磁性物质——太阳风——充斥着整个太阳系,远及海王星轨道。太阳风创造了一个大约230亿英里(370亿千米)被称为日球层(heliosphere)的气泡。包括日球层在内的整个太阳系,在星际空间穿越。被人们熟知的日球层图即为彗星状结构,拥有圆形的头部和延伸的尾巴。但是涵盖整个11年太阳活动周期的新数据表明情况并非如此:日球层可能两端都是圆形,因此其形状几乎为球形。有关这些成果的论文已于2017年4月24日在《自然-天文学》上发表。

“日球层形如同一个粗糙的气泡而并非有着如彗星般的狭长尾巴,这归功于强烈的星际空间磁场——比之前预计的强得多——太阳风鞘内部的粒子与磁场压力比很高,而两者结合便导致这一结果,”希腊雅典学院的太空科学家、这项研究主要著者Kostas Dialynas谈道。

  

来自NASA卡西尼号、旅行者号和星际边界探测器的最新数据表明,日球层——这个由太阳磁场影响产生、包围着整个太阳系的气泡——可能会比以前想象的更加紧凑和圆润。左侧的图片展示了根据最新数据绘制的紧凑型日球层,而右侧的图像则显示了具有延伸尾部的模型。主要的区别在于:新日球层模型的一侧没有彗星般的尾巴拖在天体后。这个尾巴在旧模型中以蓝色标识。

来源:Dialynas, et al.(左图);NASA(右图)

十年来,卡西尼号上的设备孜孜不倦地在探索着土星系统,为科学家们提供了关于日球层尾部形状的重要新线索,该部位通常称为“太阳的尾巴”(heliotail)。太阳系内部的带电粒子到达日球层的边界时,有时会与星际介质中的中性气体原子发生一系列的电荷交换,当粒子穿过这片广阔的边界区域时,会失去并重新获得电子。一些粒子失去电子后成为快速运动的中性原子,被重新弹射向太阳系内,而卡西尼号能对此进行测量。

“卡西尼号的设备能够绘制土星磁气圈中捕获到的离子,”NASA旅行者号和卡西尼号任务的设备负责人、来自马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯大学应用物理实验室、该项研究的作者Tom Krimigis说道。“我们从没想过能够见到这样的观测结果,并且还能绘制日球层的边界。”

许多其他恒星都有如同彗尾一般的尾巴,由此支撑了我们太阳系亦是如此的观点。然而,NASA卡西尼号、旅行者号和星际边界探测器的最新证据表明,我们的太阳系的末端可能并没有延展成长尾。从左上角逆时针方向开始,所展示的恒星分别是:LLOrionis、BZ Cam、Mira。

Credits: NASA/HST/R.Casalegno/GALEX

由于这些粒子运动速度较小,因此从太阳到日球层边缘的往返行程需要数年时间。因此当来自太阳的粒子数量发生变化时——通常是由于其11年的活动周期影响的结果——需要几年的时间才能从反射回太阳系中性原子的数量上反映出来。

近期卡西尼号对这些中性原子的测量揭示了令人感到意外的结果——日球层尾部的粒子与日球层前端的粒子几乎以相同速度反映出太阳周期变化。

“如果日球层的‘尾巴’像彗星一样拉伸,我们预测,根据中性原子的测量结果,推算出太阳周期的时间将会晚得多,”Krimigis说。

但是,由于太阳活动显示出前端和尾部的粒子速度相同,因此表明尾部及前端和我们的距离相同。这意味着,长时间里科学家们所设想的彗尾可能根本就不存在——相反——日球层可能几乎是圆形及对称的。

导致日球层是圆形的因素有很多。旅行者1号发回的数据表明,日球层外的星际磁场比科学家们预计的要强,这意味着星际磁场可能在日球层边缘与太阳风互相影响,将日球层的尾巴压缩的更加紧凑。

要研究来自星际空间的粒子——(即宇宙射线)——如何到达太阳系内部(即地球及其他行星所在)的问题,日球层的构造至关重要。

“旅行者1、2号、卡西尼号及星际边界探测器搜集的数据,是科学界研究太阳风边远区域收获的意外财富,”并未参与此项研究、华盛顿特区NASA总部旅行者号及星际边界探测器项目科学家Arik Posner谈道。“我们将不断从日球层的边缘收集数据,这些数据有助于我们更好地了解星际边界,以保护地球环境免受有害宇宙射线的侵袭。”

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