太陽圈形狀為什麼像牛角麵包?

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 05 日 19:05 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


太陽圈作為保護太陽系免受宇宙高能輻射轟炸的無形磁性泡泡,科學家一直很好奇它的確切形狀,主流理論認為太陽圈形如牛角麵包,但為何長成這個樣子還不清楚緣由。最近,波士頓大學團隊發現了為什麼太陽圈具有這種特殊形狀。

太陽圈(heliosphere)是太陽能支配或控制的太空區域,由太陽吹出的電漿——太陽風支撐著這個泡泡,並抵抗來自銀河系的高能宇宙射線、太陽系外星際物質滲入的壓力等。

2020 年 3 月,由波士頓大學天體物理學家 Merav Opher 領導的團隊繪製了太陽圈(heliosphere)先進模型,可看見太陽圈範圍遠超冥王星到太陽距離的 2 倍多,但形狀卻不像太陽一樣呈圓形,而更像牛角麵包形。

由於太陽圈的整體結構會直接影響銀河宇宙射線進入太陽系的方式,而宇宙射線如何被太陽圈過濾也是個問題,因此模擬最接近實際太陽圈樣貌的模型至關重要,然而僅僅一個太陽圈形狀過去就眾說紛紜,除了接受度較高的牛角形外,還有圓形、彗星形等。

現在,當年提出太陽圈像牛角麵包形的波士頓大學天體物理學家 Merav Opher 團隊,進一步建立 SHIELD 模型解釋為什麼其他天體物理學家開發的模型認為太陽圈像彗星狀、但他們的模型像牛角麵包:從太陽系流進的中性氫粒子是關鍵角色。

研究人員表示,中性氫粒子會導致太陽圈無法均勻流動,並且中性氫粒子與太陽圈帶電離子相撞會引發一種稱為瑞利-泰勒不穩定性(Rayleigh-Taylor instability)的現象:當兩種不同密度的材料發生碰撞就會形成不規則形狀,由於中性氫粒子擾動了太陽風,導致太陽圈裂成牛角麵包狀。

太陽圈除了影響銀河宇宙射線抵達地球附近的方式,也會影響人類未來試圖前往火星或其他行星的條件,儘管天體物理學家目前還沒開發出能觀察太陽圈實際形狀的方法,但隨著模型越來越精緻,可以肯定中性粒子是造成太陽圈形狀不穩定的主因之一。

新論文發表在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)。

(首圖來源:Merav Opher/波士頓大學

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