你没看错,这就是科学家最新绘制的太阳系日球层形状,诡异吗?

subtitle 姿势分子knowledge08-09 22:35 跟贴 207 条

根据目前的认知,太阳的引力可以影响到1-2光年之外,这就是科学家们认为的太阳系半径范围。不过,除了通过引力定义的范围之外,科学家们还提出了另一个“太阳系范围”,那就是日球层。

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我们对日球层的研究已经有几十年了,虽然称之为是日“球”层,但它并不是一个球形。甚至,在最近的研究中,有科学家描绘了一个更加诡异的日球层形状,令人惊讶不已。在讨论这个问题之前,首先我们要清楚一个概念:什么是太阳系的日球层。

我们知道,太阳会释放出大量的高能粒子,形成辐射性极强的太阳风。太阳风能够影响的区域,就叫做日球层。在日球层的边缘,就是宇宙辐射和太阳风基本平衡的位置。可是,日球层边缘距离我们实在太远,而且我们又身处日球层以内,所以观测起来有些难度。

(图片说明:日球层示意图)

幸运的是,到目前为止,人类已经有2个探测器(旅行者1号、2号)穿破了日球层,进入了星际空间。通过它们的数据,我们知道日球层边缘大概距离我们160亿公里。同时,NASA的星际边界探索者(IBEX)的项目,也在不断检测着星际介质和太阳风的相互作用。获得这些数据后,科学家们可以将其输入到计算机模型中,帮助我们更好地理解日球层的边界和数据。

此前,科学家认为的日球层形状,就大概像上面那张图一样。当太阳带着所有太阳系天体在银河系的星际介质中穿行时,会像彗星在太阳辐射中穿行时一样,形成一个彗尾的形状。

波士顿大学天文学教授Merav Opher介绍说:“60年来,人类一直在探索着日球层的形状。自从Baranov和Malama开创性的工作开始,人们始终对日球层的彗星状外形坚信不疑。”

但是,他在《自然天文学》杂志上发表论文称:这个形状不是日球层真正的外形,日球层至少还有两个喷射状的结构,是以前任何人都不曾意识到的。除了重点参考了IBEX的数据之外,他和他的同事们还借鉴了卡西尼号探测器以及新地平线号探测器的数据。你可能会想:卡西尼号不是专门研究土星的吗?没错,但它也观测到了一些关于太阳系整体的数据,这成为了本次研究的重要借鉴。

研究人员表示:在日球层边缘,太阳风和星际介质会碰撞产生一些中性原子。但是,通过卡西尼号对这些中性原子的观测,他们并没有发现日光层有类似于彗星那样的尾巴。

(图片说明:pick-up ions,是描绘层形状的关键)

日球

同时,新地平线号对一种叫做pick-up ions的粒子的观测数据,也证明了这一点。它们是由部分电离介质与太阳风交换电荷所产生的,温度与太阳风中的离子不同。当旅行者2号探测器突破日球层的时候,证明了日鞘处的压力与它们息息相关,但当时没有分析它们对日球层形状的影响。而这一次,Opher等人认真思考了这个问题,最终也借此绘制了最新的太阳日球层形状。

Opher介绍说:pick-up ions比其他的粒子温度要高,这是检测它们以及日球层形状的关键。他们的主要工作就是将它们与其他太阳风粒子分开,然后建立起一个3D模型来。结果令人震惊,他们绘制的日球层形状十分诡异,甚至有点不伦不类,但他们相信,这就是太阳系的真实模样。我们很难形容它到底是什么形状,Opher等人也只是近似地描述它是羊角包的形状。

(图片说明:更新后的日球层形状,白线是太阳磁场,红色为星际介质的磁场)

Opher指出,由于pick-up ions占据了主导地位,所以原本的形状几乎是完美的球形。但是,由于它们很快就脱离了这个系统,所以导致瘪了下去。

这个太阳系日球层的模样不仅仅是形状令人惊讶,而且从科学的角度来说也非常重要,因为它的存在对于太阳系来说有着巨大的影响。

在宇宙中,到处都充斥着高能粒子。它们有一些是超新星爆发产生的,有一些是其他宇宙特殊事件或者特殊天体产生的。这些质子或者是原子核等粒子都以相对论性的速度在宇宙中穿梭,无处不在,破坏性极强。

(图片说明:左图为太阳风的密度,右图为太阳风和pick-up ions两种粒子的密度)

而太阳风的存在,虽然在一定程度上对于地球来说有时候的确比较麻烦,但却保护了我们,使我们免受这些宇宙射线的伤害。科学家告诉我们,日球层能够抵御大约75%的宇宙射线,在很大程度上保护了我们。但是,剩余的射线对我们来说,同样是巨大的威胁。

好在除了日球层外,地球的磁场起到了第二道屏障,保护了我们。可是,对于那些脱离了大气层的航天器、探测器及宇航员来说,这些射线就成了大麻烦。这些射线损坏电子设备已经足够让我们头疼,甚至有可能增加宇航员患癌症的风险。对于航天事业的人们来说,如何抵御这些辐射始终是重中之重的问题。

(图片说明:超新星爆发是宇宙射线的主要来源之一)

即使是地球大气层和磁场保护下的生物,也未必能幸免于高能宇宙辐射之中。虽然现在的我们暂时还安全,但科学家认为,地球也曾经有一段无法庇护生物的历史。

不过,这也不能怪地球,其主要原因在于太阳系在银河系中所处的位置。持这个观点的科学家认为,银河系不同位置的辐射可能会有所不同,或者某个时期有超新星爆发,就有可能导致地球的灭绝事件出现。有些人认为,地球上出现过的海洋巨型动物灭绝事件,可能就与此有关,不过目前尚无定论。

(图片说明:强大的宇宙射线足以在数亿光年外杀死地球生物)

不仅对于地球生物,日球层也影响着我们在太阳系以外寻找生命的参照标准。对于那些可能孕育生命的系外行星来说,它们也同样面临着宇宙辐射的问题。因此,它们的宿主恒星所产生的日球层,也可以起到相应的保护作用。我们需要参考这个数据,来约束其宜居带,也许有些系外行星虽然温度合适,却并不在日球层内,同样不太可能孕育生命。

所以说,继续深入了解太阳系的日球层,对于我们来说非常重要。虽然Opher描绘了新的日球层形状,但可以肯定的是,这只是我们认识日球层的一个新阶段,距离完善相关理论还有非常远的路要走,这就有赖于更多专门的探测器出现。

(图片说明:IMAP艺术图)

根据计划,NASA的最新探测器星际测绘和加速探测器(IMAP)将会专门研究从日球层边缘来到地球附近的粒子,从而实现对日球层形状的绘制。大约在2024年,IMAP就会发射升空,验证Opher的理论到底是否准确。

总之,我们必须要清楚日球层到底是如何保护我们免受宇宙射线伤害的。如果日球层的保护能力真的会随着太阳系的运动而变化,甚至过去的大灭绝事件真的与日球层的保护能力减弱有关,那么我们就必须要提高警惕。我们要知道下一次会在什么时候发生、如何才能自我保护。就算过去真的有生物因此被灭绝,相信在科技的作用下,人类能够避免这样的灾难。

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