当旅行者1号探测星际空间时,星际空间的密度正在产生波动

直到最近,历史上的每一艘航天器都是在我们的日球层内进行测量的,日球层是太阳膨胀起来的磁泡。但在2012年8月25日,NASA的旅行者1号改变了这一情况。当它穿过日球层的边界时,它成为了第一个进入并测量星际空间的人造物体。旅行者1号已经进行了8年的星际旅行,它的数据让人们对这一领域的情况有了新的认识。

如果说我们的日球层是一艘航行在星际水域的船,那么旅行者1号就是一艘刚刚从甲板上落下的救生筏,决心要对洋流进行勘测。目前,它感受到的任何汹涌的海水都主要来自于太阳层的尾流。但在更远的地方,它能感受到来自宇宙深处的扰动。最终,我们的日球层将从它的测量中完全消失。

“可以说,对于旅行者1号需要走多远才能开始看到更纯净的星际空间,我们有一些想法,”纽约伊萨卡市康奈尔大学的博士生、旅行者号团队的最新成员斯特拉·奥克(Stella Ocker)说。“但我们不完全确定何时能达到这一点。”

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奥克的新研究周一发表在《自然-天文学(Nature Astronomy)》杂志上,报告了可能是对星际空间物质密度的首次连续测量。奥克说:“这次探测为我们提供了一种测量星际空间密度的新方法,并为我们探索非常近的星际介质的结构开辟了一条新途径。”

当人们描绘恒星之间的物质时——天文学家称之为“星际介质”,一种由粒子和辐射组成的散开的汤——人们可能会想象一个平静、安静、宁静的环境。这将是一个错误。

“我曾用过‘静止的星际介质’这个词——但你可以找到很多不是特别静止的地方,”康奈尔大学的空间物理学家、论文的合著者吉姆·科德斯( Jim Cordes)说。

如同海洋一样,星际介质充满了汹涌的波浪。最大的一个波浪来自于我们的星系的旋转,因为空间相互碰撞,产生了跨越几十光年的波动。较小的波(尽管仍然巨大)从超新星爆炸中涌出,从一个波峰延伸到另一个波峰,绵延数十亿英里。最小的波纹通常来自我们自己的太阳,因为太阳爆发发出的冲击波穿过空间,渗透到我们的日球层。

这些冲击波揭示了关于星际介质密度的线索——这个值影响着我们对日球层形状、恒星如何形成,甚至我们在银河系中的位置的理解。当这些波在空间中回响时,它们会振动周围的电子,这些电子以特定的频率发出,这取决于它们挤在一起的程度。铃声的音调越高,电子密度就越高。旅行者1号的等离子波子系统——包括两个伸出在飞船后面30英尺(10米)长的“兔子耳朵”天线——就是为了听到这种铃声而设计的。

这些碰撞波揭示了关于星际介质密度的线索——这个值影响着我们对日球层形状、恒星如何形成,甚至我们在银河系中的位置的理解。当这些波在空间中回响时,它们会振动它们周围的电子,这些电子以特定的频率发出声音,具体取决于它们的拥挤程度。 声音的音调越高,电子密度就越高。旅行者1号的等离子波子系统——包括两个伸出在飞船后面30英尺(10米)长的“兔子耳朵”天线——就是为了听到这种声音而设计的。

NASA旅行者1号航天器的示意图,显示了等离子波子系统和其他仪器使用的天线。
影像来源:NASA / JPL-Caltech

2012年11月,在离开日球层三个月后,旅行者1号第一次听到了星际声音。六个月后,又出现了另一种呼啸声——这次声音更大,音调更高。星际介质似乎变得越来越厚,而且速度越来越快。

影像来源:NASA / JPL-Caltech

在今天旅行者号的数据中,这些瞬间的呼啸声以不规则的间隔持续着。它们是研究星际介质密度的极好方法,但确实需要一些耐心。

奥克说:“它们一年只被发现一次,所以依靠这些偶然事件意味着我们的星际空间密度地图有点稀疏。”

奥克开始寻找一种星际中等密度的连续测量方法,以填补这些空白——一种不依赖于太阳偶尔传播出来的冲击波的方法。在对旅行者1号的数据进行筛选,寻找微弱但一致的信号后,她发现了一个很有希望的候选信号。2017年年中,就在又一次呼啸声响起的时候,这种情况开始增多。

“它实际上是一个单一的音调,”奥克说。“随着时间的推移,我们确实看到了它的变化,但频率的移动方式告诉我们密度是如何变化的。”

在观察仅比噪声大一点的信号时,奥克发现了一个微弱但几乎连续的信号——以一条细红线可见——连接着旅行者1号等离子体波子系统数据中更强的等离子体振荡事件。蓝色背景为只显示强信号的图表,白色背景为显示包括等离子体波发射在内的较弱信号的过滤数据。
影像来源:旅行者1号等离子波子系统/Stella Ocker

奥克将新的信号称为等离子体波发射,它似乎也能追踪星际空间的密度。当突如其来的呼啸声声出现在数据中时,发射信号的音调也随之上升或下降。该信号也类似于在地球上层大气中观察到的一个信号,已知该信号是根据地球上的电子密度进行跟踪的。

“这真的很令人兴奋,因为我们能够定期对很长一段空间的密度进行采样,这是迄今为止我们拥有的最长的空间范围。”奥克说。“这为我们提供了旅行者所看到的最完整的密度和星际介质地图。”

根据该信号,旅行者1号周围的电子密度从2013年开始上升,到2015年年中左右达到目前的水平,密度增加了大约40倍。在他们分析的到2020年初结束的整个数据集中,宇宙飞船似乎处于类似的密度范围,有一些波动。

目前,奥克和她的同事们正试图建立一个等离子体波是如何产生的物理模型,这将是解释等离子体波的关键。与此同时,旅行者1号的等离子波子系统不断将数据发回离地球越来越远的地方,那里的每一个新发现都有可能使我们重新想象我们在宇宙中的家。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/as-nasa-s-voyager-1-surveys-interstellar-space-its-density-measurements-are-making-waves

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