旅行者2号阐明星际空间的边界


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旅行者2号阐明星际空间的边界

这幅艺术概念图展示了美国国家航空航天局(NASA)的旅行者号(Voyager)探测器进入星际空间,即宇宙中恒星之间的空间。该区域主要由数百万年前巨星死亡时喷射出的等离子体组成。更热而稀疏的等离子体充满了“太阳气泡”(即日球层,因为形象地说,日球层就好像太阳风向外吹出的一个气泡)。
版权:NASA/喷气推进实验室-加州理工学院(JPL-Caltech)

一年前的2018年11月5日,NASA的旅行者2号成为历史上仅有的第二个穿过日球层(heliosphere)的探测器。日球层是太阳产生的由粒子和磁场构成的保护罩,位于距离地球约110亿英里(180亿公里)处,这已远远超出了冥王星的轨道,旅行者2号已进入了星际空间,或者说恒星之间的空间。一年后的今天,《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上的五篇新研究论文,对科学家们在旅行者2号历史性跨越期间及后续所观察到的情况进行了描述。

每一篇论文都详细介绍了关于旅行者2号上五种操作科学仪器其中一个的发现:一个磁场传感器,两种用于检测不同能量范围内高能粒子的仪器和两种用于研究等离子体(由带电粒子组成的气体)的仪器。总的来说,这些发现有助于描绘出关于这一宇宙边界线的图景,由太阳创造的环境在此结束,浩瀚的星际空间从此开始。

太阳的日球层就像一艘航行于星际空间的轮船。日球层和星际空间内都充满了等离子体,这种气体中一些原子的电子被剥夺。日球层内的等离子体热而稀疏,而星际空间内的等离子体则更冷、更致密。恒星之间的空间还包含宇宙射线或被爆炸的恒星而加速的粒子。旅行者1号发现日球层可以保护地球和其他行星免受70%以上的宇宙辐射。

当旅行者2号于去年离开日球层时,科学家们宣布其两个高能粒子探测器发生了巨大的变化:仪器探测到的日球层粒子比率骤然下跌,而宇宙射线(通常比日球层粒子具有更高的能量)的比率急剧上升并保持在高比率。这些变化证实了旅行者2号已经进入了一个新的空间区域。

旅行者2号阐明星际空间的边界

这张插图显示了NASA的旅行者1号和旅行者2号探测器在日球层之外的位置。日球层是由太阳产生的保护罩,一直延伸到冥王星的轨道之外。
版权:NASA/JPL-Caltech

在旅行者1号于2012年到达日球层边缘之前,科学家们并不知道该边界距离太阳有多远。在大约11年的太阳活动周期中,太阳经历了一段高度活跃期和低谷期。在该不断循环往复的周期中,旅行者1号和旅行者2号分别在不同的位置,于不同的时间离开了日球层。科学家们预计日球层的边缘,即所谓的“日球层顶”(heliopause),会随着随着太阳活动的变化发生移动,就像肺部随着呼吸扩张和收缩一样。这与两个探测器在距太阳不同距离处遇到“日球层顶”的事实是一致的。

如今,新论文证实了旅行者2号还未像其孪生兄弟旅行者1号一样进入到未被扰动的星际空间,旅行者2号似乎处于恰在日球层之外的一个扰动的过渡区域。

旅行者号项目科学家、加州理工学院物理学教授艾德•斯通(Ed Stone)表示:“旅行者号探测器向我们展示了太阳如何与填充银河系中恒星之间大部分空间的物质相互作用。如果没有旅行者2号传回的新数据,我们就不会知道通过旅行者1号所看到的景象是整个日球层的特征还是仅特定于它经过的地点和时间。

等离子体压缩

正如科学家们所预期的那样,两个旅行者号探测器已证实其所处星际空间中的等离子体比日球层中等离子体的密度明显要大得多。旅行者2号还测量了附近星际空间内等离子体的温度,并证实其温度低于日球层内的等离子体。

2012年,旅行者1号于恰在日球层外所观测到的等离子体密度略高于预期,表明等离子体受到了一定程度的压缩。旅行者2号观测到日球层外的等离子体温度比预期略高,这也可能表明等离子体受到压缩。(日球层之外等离子体的温度仍然低于日球层以内的等离子体。)旅行者2号还观测到在即将离开日光层之前等离子体密度略有增加,这表明等离子体在日球层的内部边缘周围被压缩。但是科学家们尚未完全了解究竟是什么导致了日球层内外的等离子体压缩。

泄漏的粒子

如果日球层就像一艘航行于星际空间的轮船,那么其船体似乎有一些渗漏。旅行者号的一个粒子仪器显示,来自日球层内部的一股粒子流正穿过边界并进入星际空间。相对于日球层在太空中的运动,旅行者1号从靠近日球层最“前端”的位置离开。另一方面,旅行者2号的位置则更靠近侧翼,该区域似乎比旅行者1号所处区域的漏孔更多。

磁场的奥秘

旅行者2号上磁场仪器的观测证实了旅行者1号的一项惊人发现:恰在日球层顶外区域的磁场与日球层内的磁场平行。科学家们通过旅行者1号仅得到了一个磁场样本,无法确定这种明显的平行是日球层整个外部区域的特征,或只是个巧合。据Stone说,旅行者2号的磁力计观测结果证实了旅行者1号的发现,表明两个磁场是平行的。

旅行者1号和2号探测器均于1977年发射,两者均飞越木星和土星。旅行者2号为了飞越天王星和海王星,在土星改变了航线,这是历史上唯一一次近距离飞越这两颗行星。两个旅行者号探测器在1989年完成了它们的“行星壮游”(Planetary Grand Tour),并开启了抵达日球层顶的星际任务。旅行者1号速度较快,目前距离太阳超过136亿英里(220亿公里),而旅行者2号距离太阳113亿英里(182亿公里)。光线从旅行者2号传播至地球大约需要16.5个小时。相比之下,光线从太阳传播到地球大约需要8分钟。

欲了解有关旅行者号的更多详细信息,
请访问:https://voyager.jpl.nasa.gov/

参考:
[1]https://www.nasa.gov/feature/jpl/voyager-2-illuminates-boundary-of-interstellar-space
[2]https://www.nature.com/articles/s41550-019-0942-5

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