彗星形?圓形?牛角形?太陽系邊界 3D 圖首度繪製

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 16 日 18:34 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


太陽圈是由太陽風形成的防護罩,保護著地球和太陽系免受高能星際輻射轟炸,物理模型多年來一直試圖重建太陽圈邊界,現在科學家終於首度繪製出完整的太陽圈邊界 3D 圖。

太陽圈(Heliosphere)是指太陽引力在太空的支配範圍,也就是太陽風在星際介質內吹出的氣泡,主要由質子、電子和 α 粒子流組成,一直抵抗著來自銀河系的氫氦氣體及有害輻射侵入。

而太陽圈的邊界稱為日球層頂(Heliopause),在這裡,往星際空間推進的太陽風與朝太陽推進的星際風互相發生碰撞,動力學相當複雜,可再細分為終端震波(日球層頂的內側邊界)、日鞘(日球層頂與終端震波的中間區域)與弓形震波(日球層頂之外)。此外,日球層頂形狀並不規則,就像我們的肺一樣會隨著呼吸收縮膨脹,日球層頂也會跟著太陽週期變化。

▲ 太陽圈與太陽系邊界。(Source:NASA, Public domain, via Wikimedia Commons)

科學界對日球層頂形狀有兩派看法,主流認為應該形如彗星,另一種則認為像圓形泡泡,還有少數模型做出看起來更奇怪的牛角麵包形狀。

現在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室團隊利用 NASA 的星際邊界探測器(Interstellar Boundary Explorer,IBEX),收集 2009~ 2019 年整個太陽週期的數據,首度繪製出完整的太陽圈邊界 3D 地圖。

研究團隊採取類似蝙蝠聲納的技術,測量各方向太陽風粒子與星際風粒子碰撞所產生的高能中性原子(energetic neutral atom,ENA),以訊號發送及接收的時間差來繪製出日球層頂形狀與距離,而訊號強度取決於碰撞時太陽風的強度——就像地球上的風有大有小一樣,太陽風也有強有弱。

透過新的 3D 圖,我們可以看到太陽系邊界形狀確實更像彗星,尾部延伸了至少 350 個天文單位長(IBEX 目前探測極限),儘管事實上尾巴長度無法測量,它也可能又短又粗;另一方面,到日光層頂「尖端」的最短距離介於 110~120 個天文單位,與航海者號穿越的數據一致。

總之,日球層頂形狀更像彗星或子彈,就是和牛角麵包模型完全不一致。

▲ 太陽圈與邊界全景圖。(Source:洛斯阿拉莫斯國家實驗室

IBEX 壽命預計至少能延續到 2025 年,而星際測繪與加速探測器(Interstellar Mapping and Acceleration Probe,IMAP)則預計 2024 年發射升空,接替 IBEX 繼續研究高能粒子的加速機制、太陽風與星際介質如何互作用。

團隊希望這 2 個任務最終能提供更多數據,以協助更完善日球層頂的形狀。新論文發表在《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)。

(首圖來源:洛斯阿拉莫斯國家實驗室

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