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旅行者2號星際穿越了一年經歷了些啥?

2019-11-06 09:26:27  來源:中國科普博覽

當我們用力將空氣吹入氣球時,氣球便在氣球內外壓強差的作用下向外膨脹。而當我們吹好氣球、將口扎緊時,氣球內外壓強的平衡使得氣球總能保持圓滾滾的形狀。在太空之中,太陽也用太陽風體吹起了這樣一個“氣球”,而星際物質的存在則使得這個“氣球”擁有了特別的大小與形狀,科學家們將這個氣球稱為“日球層”。而太陽風與星際物質相交會的地方,則被稱為“日球層頂”。來自太陽系內部的飛行器,一旦越過日球層頂,就脫離了太陽風所能影響的空間范圍,進入了“星際穿越”的新旅程中。

日球層大致結構示意圖,圖中Heliosphere為”日球層“,Heliopause為”日球層頂“,Termination Shock 為”終止激波“,Heliosheath為”日球鞘層“,Voyeger 1和Voyager 2分別為“旅行者1號”和“旅行者2號”。(圖片來源:NASA)

日球層大致結構示意圖,圖中Heliosphere為”日球層“,Heliopause為”日球層頂“,Termination Shock 為”終止激波“,Heliosheath為”日球鞘層“,Voyeger 1和Voyager 2分別為“旅行者1號”和“旅行者2號”。(圖片來源:NASA)

太陽帶領整個太陽系在銀河系中運動,在與星際物質迎面相遇的那一側,日球層頂距離太陽的距離約為一百多個天文單位(AU),也就是地球與太陽之間距離的100多倍(1天文單位=日地平均距離)。

作為人類目前飛的最遠的探測器,美國于1977年發射的旅行者1號與旅行者2號,在2012年8月和2018年11月分別完成了日球層頂的穿越。

旅行者1號在地球軌道面(黃道面)以北的位置穿越日球層頂,穿越時與太陽的距離為121.7天文單位。旅行者2號則從黃道面以南穿越日球層頂,穿越時距離太陽119.0天文單位。由于旅行者2號上的等離子體譜儀(PLS)依然能夠正常工作,并沒有像旅行者1號的PLS一樣在上世紀八十年代就宣告罷工,科學家們對旅行者2號的星際穿越能夠帶來的科學發現寄予了更大的期望。

本次公布的觀測結果中,所發現的日球層頂附近的豐富而復雜的結構。(圖片來源:文獻[1])

本次公布的觀測結果中,所發現的日球層頂附近的豐富而復雜的結構。(圖片來源:文獻[1])

北京時間2019年11月5日0點,《自然·天文》期刊在線發表了五篇論文,從不同的方面介紹了旅行者2號和旅行者1號在星際空間中看到的新鮮事。通過這兩個探測器的觀測,科學家們發現,太陽風和星際物質的相互作用使得日球層頂附近出現了豐富而復雜的相互作用結構。在回答原有問題的同時,這些探測結果也為未來的日球層邊際探測提出了更多新的問題,有待我們研制發射更多的探測器去回答。

Part.1

星際穿越新鮮事

旅行者1號等離子體譜儀的罷工,科學家們不得不采用另一種方式來推測它所在位置的電子密度。無論是太陽風和還是星際物質,都是由一種叫做等離子體的物質形態構成的。在等離子體中,已經被電離的電子和離子與電磁場高度耦合,電磁場的波動頻率可以反映等離子體的電子密度等性質。在旅行者1號上,測量等離子體中電磁場波動的儀器仍然在工作。一旦從太陽噴薄而出的爆發,經過漫長的傳播到達旅行者1號飛船附近,在旅行者1號所在的位置產生比較明顯的電磁波動,科學家們就能夠利用這寶貴的機會,計算出旅行者1號附近的等離子體密度。幫助科學家們確認旅行者1號已經處于星際空間的,就是2012年發生的一次爆發。

旅行者號探測器外觀。

旅行者號探測器外觀。

在本次發表的有關等離子體密度觀測的論文中,科學家們發現用電磁場波動推測電子密度的測量方法是靠譜的。從旅行者2號的觀測數據來看,由等離子體譜儀直接測量的電子密度和用電磁波波動推測的電子密度基本一致。同時,旅行者2號與旅行者1號探測到的緊鄰日球層頂的星際物質密度也基本相同,進一步證實了跨過日球層頂,密度將躍升20-50倍的理論計算結果。

利用幾次爆發事件獲得的探測機會而獲得的旅行者1號所在位置的密度情況。(圖片來源:文獻[2])

利用幾次爆發事件獲得的探測機會而獲得的旅行者1號所在位置的密度情況。(圖片來源:文獻[2])

利用旅行者1號穿越日球層頂、來到星際空間之后又遇到的幾次探測機會,科學家們發現旅行者一號探測到的密度越來越大,正在翻越一座星際物質的“山峰”。這座“山峰”是處于日球層外部的一個邊界層,目前的一種觀點認為它可能是星際物質在日球層頂附近遇到阻礙、無法前進后堆積而成的,而旅行者1號現在剛好爬上了這座山峰的峰頂。能否如理論預測的一樣在未來“下山“,以及旅行者2號是否會爬上這座“山峰”,就有待進一步觀測的證實了。有趣的是,25年前,兩艘旅行者號上的射電觀測設備就曾經通過遙感觀測的方式發現過這個邊界層的存在。而25年后,她們終于走到了那里,親自爬上了這座她們曾經“遠眺”過的“山峰”。

旅行者2號發現的“磁場屏障”(Magnetic barrier),可見在穿過磁場屏障后、進入星際空間后,子圖d中所示的高能銀河宇宙線通量發生了顯著增加。(參考來源:文獻[3])

旅行者2號發現的“磁場屏障”(Magnetic barrier),可見在穿過磁場屏障后、進入星際空間后,子圖d中所示的高能銀河宇宙線通量發生了顯著增加。(參考來源:文獻[3])

由于失去了一部分大氣層的保護,經常坐飛機的旅客可能要受到更多的銀河宇宙線的輻射。但是,除了成天要待在天上的空乘人員需要對此進行留意外,旅客們在一般情況下不用擔心銀河宇宙線的輻射劑量會帶來什么風險,因為我們日球層就是銀河宇宙線的另一個屏障。在關于日球層頂附近磁場觀測的論文中,通過旅行者2號的探測數據,科學家們似乎發現了到底是什么結構將宇宙線擋在了日球層之外。從日球層內到日球層外,磁場強度如科學家們預想的那樣出現了約4-5倍的增加,而這個變化是通過一個過渡區域逐漸發生的。在穿過這個區域時,銀河宇宙線的強度也發生了較大的增加。科學家們將這個過渡區域成為“磁場屏障”,正是這個屏障阻擋了能量較高的銀河宇宙線進入日球層當中。科學家們推測,磁場屏障有可能是日球層內外的磁場通過磁重聯等相互作用,形成的一個復雜的動力學系統。此外,旅行者1號穿越日球層頂時,探測到了出乎科學家們意料的一個情況:磁場方向在日球層內外沒有發生太大的變化。

旅行者2號的觀測進一步證實了這個情況。探究這個現象背后的原因,這使得相關領域的學者們又有很多工作可以做了。

旅行者1號(紅線)在穿越日球層頂前所觀測到的兩次銀河宇宙線增強事件,分別位于Day280 和Day 300。藍線為旅行者2號觀測數據。旅行者1號的數據在時間上向后平移6.2年以方便與旅行者2號數據對齊。(參考來源:文獻[4] )

旅行者1號(紅線)在穿越日球層頂前所觀測到的兩次銀河宇宙線增強事件,分別位于Day280 和Day 300。藍線為旅行者2號觀測數據。旅行者1號的數據在時間上向后平移6.2年以方便與旅行者2號數據對齊。(參考來源:文獻[4] )

實際上,“磁場屏障”可能也并非鐵板一塊,在另一篇專門討論宇宙線觀測論文中,科學家們展示了旅行者1號在日球層內部所遇到的兩次銀河宇宙線增強事件。如同心跳的脈沖一樣,這兩次增強呈現的都是偶發性的短時快速變化。旅行者2號在日球層內沒有遇到這樣的事件,但其在日球層外觀測到的宇宙線特性,與旅行者1號在日球層內所遇到的這兩次增強事件中,宇宙線所呈現的性質一致。這說明,宇宙線可能通過什么機制穿透了磁場屏障,可以短時少量的入侵到了日球層內部。

在日球層內部接近日球層頂的位置上,旅行者2號能夠正常工作的等離子體譜儀,讓科學家們發現了兩個邊界層。第一個邊界層比較靠內,厚度也相對較大,有1.5個天文單位。從太陽表面一路奔馳到日球層頂附近的等離子體,在這個邊界層中的密度和溫度開始增大。在緊靠日球層頂的地方,另一個厚度只有0.06天文單位的邊界層中,等離子體遠離太陽的速度呈現降低的態勢。這與旅行者1號觀測到的情況有所不同。旅行者1號觀測到了等離子體在到達日球層頂之前就停滯了的現象,而旅行者2號觀測到的則是在第二個邊界層之前都持續保持昂揚向前姿態的等離子體。

Part.2

更多問題有待揭示

本次公布的結果再次表明,日球層頂并非像氣球的外皮一樣,是日球層與星際物質的簡單分隔。無論是在星際空間還是在日球層內,在靠近日球層頂的地方都存在著復雜的相互作用過程和動力學結構。同時,雖然旅行者1號和旅行者2號兵分兩路,分別對黃道面以南和以北的日球層頂結構進行了探測,但這對于勾勒出日球層的完整結構還遠遠不夠。例如,兩艘探測器所穿越日球層頂的方向,都是日球層與星際物質迎面相遇的那一側。而在另一側,日球層頂到底呈現怎樣的形態,則尚無定論。有學者認為,如果星際物質中的磁場占主導地位,那么整個日球層將呈現出橢球狀的形狀。反之,如果是星際物質的動能或內能占優,則日球層頂的另一側很可能會像彗星一樣,拉出長長的尾巴。

此外,由于為兩艘旅行者號探測器供電的同位素電池的電量已經近乎衰竭,科學家們可能在明年就不得不關閉所有的科學儀器,無法再產生新的科學探測數據。而到了2025年,電池輸出的電能已經無法支撐旅行者號飛船最基本的運行和通信。那時,我們將不得不中斷與兩搜探測器的聯系,再也聽不到這兩艘已經離家幾十年的孩子在星際空間中向地球家園的呼喊。

旅行者號40周年紀念海報。

旅行者號40周年紀念海報。

除了到日球層頂頂進行實地探測外,科學們也能通過遙感探測來探索日球層頂的秘密。目前正在地球附近工作的NASA“星際邊界探測器”(IBEX)通過收集不同能級的高能中子來對日球層進行成像觀測,這些高能中子產生于太陽風和星際物質在日球層邊界上的相互作用。通過記錄不同方向上射來的高能中子的通量差異,IBEX的數據能夠使科學家們了解不同方向上太陽風與星際物質相互作用的強烈程度。然而,遙感探測與實地探測能夠互相配合和促進,卻不能彼此替代。我們仍然需要派遣更多的“探測隊員”,才能更好的了解日球層的性質。這不但可以增進我們對所處的太陽系的了解,所得到的結論還能進一步推廣到我們無法實地探測的宇宙中其他天體系統中。在旅行者1號、2號之后,尚無明確的日球層頂探測計劃。造訪過冥王星的NASA新視野號,搭載的儀器并非為日球層頂探測量身打造,目前也尚不清楚其探測器壽命和運行資金能否支持她繼續進行日球層頂的擴展探測。

 IBEX數據繪制的高能通量分布圖。

IBEX數據繪制的高能通量分布圖。

今年年初,《中國科學·信息科學》期刊刊登了我國學者對太陽系邊際探測的設想與計劃。這些學者中既有來自航天工業部門各個單位的工程師學者,又有來自北京大學、中科院等單位從事空間科學基礎研究的學者。在這篇論文中,我國學者將太陽系邊際探測的目標劃分為100天文單位的近期目標和1000天文單位的遠期目標,分別設想在2049年前后和本世紀末實現。在近期目標的探測中,他們提出了日球層鼻尖、日球層鼻尖反向和日球層極區這三個探測方向,而這三個方向既是兩艘旅行者號飛船尚未探測的盲區,又是建立起日球層完整圖像的關鍵區域。當然,宏偉的目標還需要突破提一系列關鍵技術,讓探測器能夠壽命長、飛的快、省燃料,與地球的通信不斷線,運行中的小問題能夠自主解決,探測到的科學數據精確可靠。

在兩艘旅行者號飛船發射時,我國才剛剛擁有了發射衛星的技術,國家的技術實力和綜合國力也遠達不到支撐這種復雜深空任務的程度。而在今天,隨著嫦娥探月工程和火星探測工程等諸多深空探測任務的開展,去往星際空間,應該是通過我們努力就可以有所作為的事情。

 我國學者提出的基于核反應堆的探測器構型圖。

我國學者提出的基于核反應堆的探測器構型圖。

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