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太空探索:太陽系以外的神奇世界 「旅行者」號為你揭開秘密

2020/10/19 08:36 字級:
讀稿
太空探索:太陽系以外的神奇世界 「旅行者」號為你揭開秘密

▲(圖/NASA/STSCI/AURA)

太陽系之外的星際空間對於地球上的人類一直是神秘的黑暗真空,其秘密現在終於被首批離開太陽系的人造物體——兩艘無畏的宇宙飛船所揭開。

太陽系的邊緣,遠離太陽的保護,似乎是一個寒冷、空曠、黑暗的地方。很長一段時間,人類一直以為,太陽系及離我們最近的恆星之間的這片廣闊空間是一個可怕的虛空。

直到最近,太陽系的邊緣還是人類只能從遠處窺視的神秘太空。天文學家對此往往也是匆匆掠過,寧願將望遠鏡對凖鄰近的恆星、星系和星雲等發光的物質上。

但過去幾年間,20世紀70年代建造並發射的兩艘航天器已飛到了我們稱之為星際空間的這個陌生區域,傳回的影像讓我們首次瞥見這個神秘空間的真面目。作為首批離開太陽系的人類建造物體,兩艘航天器正在探索遠離地球數十億英里的未知領域。在此之前還沒有任何宇宙飛船飛到如此遙遠的太空。

兩艘航天器還揭示出,在我們太陽系的邊界之外,存在著一個雖然肉眼看不見,但物質卻相當活躍、混沌而激蕩的區域。

研究太陽系外圍區域的新西蘭基督城坎特伯雷大學的天文學家米歇爾·班尼斯特(Michele Bannister)說,「觀察電磁波譜的不同部分,你會發現,那部分空間與我們肉眼看到的黑暗大不相同。在這裏,電磁現象相互作用,相互推動,相互糾纏激蕩,非常活躍。你可以想象一下尼亞加拉瀑布急衝而下形成的湍急河水。」

但與尼亞加拉大瀑布下奔湧翻滾的水不同,太陽系外圈的湍流是太陽風的結果。所謂太陽風,是太陽持續噴射到太陽外圍的超高速帶電粒子流,或稱等離子流,在到達太陽系邊緣時會減速崩潰,混合到在星系間流動的氣體、塵埃和宇宙射線,即所謂「星際介質」之中。

在過去的一百年,主要依靠射電望遠鏡和X射線望遠鏡的觀察,科學家們已經勾畫了一幅關於星際介質的組成圖片,揭示了星際介質是由極度分散的電離氫原子、宇宙塵和宇宙射線,以及密度很大的星際分子雲所組成。分子雲是新的恆星誕生之所。我們的太陽系就是45億年前一個巨大的分子雲坍塌形成。

但在我們太陽系之外的星際介質的確切性質在很大程度上一直是個謎,主要是因為整個太陽系,即太陽及其八大行星,和一個稱為柯伊伯帶的極其遙遠的微型天體密集圓盤狀區域,都被包裹在一個巨大的由太陽風形成的保護泡中,這個如同氣球一樣的泡泡被稱為太陽圈(heliosphere,也翻譯為日球層)。當太陽帶著其行星在銀河系快速運動時,這個太陽風形成的大氣泡就像一塊無形的盾牌一樣抵擋著星際介質,把大多數有害的宇宙射線和其他物質擋在了太陽系外面,保護了地球的生命。

但太陽圈(日球層)救命的特性也讓研究這個氣泡之外的星際空間變得更加困難。甚至從我們所處的太陽系內部也很難確定太陽圈的大小和形狀。

約翰‧霍普金斯大學應用物理實驗室的博士後研究員艾倫娜‧普洛沃尼科娃(Elena Provornikova)說,「這就像你在自己的家裏,想知道房子是什麼樣子,必須到外面去看一看,才能真正判斷出來。要知道太陽圈到底是什麼樣,唯一方法是走出太陽系,然後回頭看,要從太陽圈之外去拍攝它的圖像。」

這可不是一項簡單的任務。與整個銀河系相比,我們的太陽系就像比漂浮在太平洋中央的一粒米還要小的東西。然而,太陽圈(日球層)的外邊緣仍然是非常的遙遠,以至於兩艘航天器「旅行者1號」和「旅行者2號」從地球起飛後,花了40多年時間才到達這裏。

以較直的路線穿過太陽系的旅行者1號在2012年率先進入星際空間,接著旅行者2號在2018年也進入星際空間。目前,兩個航天器分別離地球約130億英里和110億英里,還在繼續向外飛離,進入離太陽系更遠的外太空。兩艘航天器在飛離太陽系之同時,也發回地球更多數據。(要想知道旅行者號更多信息,請閲讀BBC文章《旅行者號:人類最偉大的太空任務》。英文鏈接)

這兩個已經「年逾不惑」的太空探測器揭示了太陽圈和星際介質之間的邊界的真面貌,這為我們了解太陽系是如何形成的以及地球上生命何以能夠存在提供了新的線索。實際上,我們太陽系的邊緣並不是一個清晰的邊界,而是攪動著旋轉的磁場、碰撞的恆星風暴、高能粒子風暴和旋轉輻射的活躍混沌帶。

太陽圈氣泡的大小和形狀會隨著太陽風輸出的變化而改變,也會隨著太陽系穿越星際介質的不同區域而改變。當太陽風上升或下降時,也會改變太陽圈氣泡所受到的外在壓力。

2014年,太陽的活動激增,生成了一場席捲行星際空間的太陽風暴。風暴以每秒800公里的速度首先衝擊水星和金星。兩天之後,穿越1億5千萬公里,太陽風暴包圍了地球,但很幸運的是,我們地球的磁場能夠阻擋太陽風,保護地球生命免受太陽風的強大輻射破壞。

一天後,這波強大的太陽風暴從火星呼嘯而過,穿過小行星帶,朝著遙遠的氣態巨行星(木星、土星、天王星)而去。兩個多月後,又撲向海王星,海王星的軌道距離太陽近45億公里。

經過6個多月的時間,這股太陽風暴終於到達了距離太陽130多億公里,被稱為「終端激波」的空間。在這裏,推動太陽風的太陽磁場已變得很微弱,以至於星際介質的壓力與太陽風相互作用,使得風暴速度減緩。

到達終端激波帶的太陽風暴速度減慢到不及之前的一半,猶如大西洋颶風減弱為熱帶風暴。2015年底,這場太陽風暴追上了體積如一輛小型汽車、形狀不規則的旅行者2號。旅行者2號中由緩慢衰變的鈈電池驅動、「高齡」四旬的感應器勘測到了這場太陽風暴,發現太陽風等離子體量暴增。

然後探測器將數據傳回地球,即使是以光速傳輸,也要花18個小時才能到達地球。天文學家之所以能收到旅行者號的信息,多虧了巨大的70米高的碟形衛星陣列和先進的技術,這些技術在旅行者號1977年離開地球時是還是無法想象的,更不用說發明了。

這場太陽風暴與旅行者2號相遇時,這個太空探測器還在我們的太陽系中。一年多後,太陽風暴最後的垂死餘風也追上了早在2012年已進入星際空間的旅行者1號。

這兩個太空探測器穿越太陽系走的是不同路線,一個位於太陽系黃道平面上方30度的方向,另一個則位於黃道下方30度。2014年爆發的這場太陽風暴在不同的時間及不同的區域與兩個旅行者號前後相遇,這為研究太陽風層頂(heliopause,也翻譯為日球層頂,即太陽風遭遇星際介質而停滯的邊界)的性質提供了有用的線索。

旅行者號傳回的數據顯示,這個稱為太陽風層頂的湍流邊界有幾百萬公里厚,覆蓋著表面積達數十億平方公里的太陽圈(日球層)。

太陽圈(日球層)也大得出乎意料,這表明銀河系這部分的星際介質密度比人們想象的要低。太陽在銀河系的星際空間中運行時會切割出一條路徑,就像一艘船在水中航行留下一個「弓形波浪」一樣,在它後面也形成一個尾跡,可能帶有一個或多個類似於彗星形狀的尾巴。兩艘旅行者號都是從太陽圈氣泡的「鼻子」處起飛,因此沒有提供任何太陽圈尾巴的數據。

普洛沃尼科娃說,「根據旅行者號的數據估計,太陽風層頂大約有一個天文單位厚。但這不是太陽圈真的表面。這是一個有著複雜活動的區域。我們不知道那裏發生了什麼。」一個天文單位代表地球和太陽之間的平均距離,為9300萬英里。

在這個太陽系和星際空間之間的邊界區域,不僅有太陽風和星際風(interstellar wind,來自星際空間的粒子流)相互衝撞拉扯產生的湍流,而且太陽風和星際介質的粒子似乎還會交換電荷和動量。結果,部分星際介質會轉化為太陽風,從而能增加太陽圈氣泡向外的推力。

雖然一場太陽風暴可以提供有趣的數據,但令人吃驚的是,太陽風暴似乎對太陽圈氣泡的總體大小和形狀的影響卻很小。看來,圈外發生的事情比圈內發生的事情對太陽圈的影響要重要得多。太陽風隨時間的增強減弱都不會對太陽圈氣泡產生明顯的影響。但如果太陽圈氣泡進入銀河系某區域,則所遇的星際風密度的大小會影響太陽圈增大或是縮小。

但是有關包圍和保護著我們太陽系的太陽圈氣泡,至今仍然有很多問題還未得到解答,例如這個由太陽風形成的氣泡是宇宙中特別之現象還是一種模式。

普洛沃尼科娃說,增加對太陽圈的了解,就會增加對人類在宇宙中是否為孤獨的智慧生命這一問題的認識。

她說,「對自己所在星系所做的研究將告訴我們,其他恆星系統中生命發展會需要什麼條件。」

這在很大程度上是因為太陽風阻擋星際介質進入太陽系,也阻止了來自太空深處威脅地球生命的輻射和致命的高能粒子(如宇宙射線)的撞擊。宇宙射線是來自太空,接近光速的帶電高能次原子粒子。當發生恆星爆炸、星系坍縮成黑洞以及其他災難性的宇宙事件時,就會產生宇宙射線。在我們太陽系之外的星際空間充滿了不斷噴射的高速次原子粒子,對一個缺乏保護的星球,其威力將造成致命的輻射破壞。

普林斯頓大學太陽物理學研究員、也是第一個根據旅行者號收集的星際數據撰寫博士論文的科學家傑米·蘭金(Jamie Rankin)說,「旅行者號數據明確地告訴我們,其中90%的宇宙輻射被太陽過濾掉了。如果沒有太陽風的保護,我不知道我們人類是否還能生存。」

美國太空總署(Nasa)另外三個太空探測器很快將進入星際空間,加入旅行者號的行列,不過其中兩個探測器因為已經耗盡了能量,不再傳送數據回地球。在太陽圈的巨大邊界上,這些微小的點只能提供有限的信息。幸運的是,更廣泛的觀察可以在離我們地球之家較近的空間進行。

太空總署2008年發射一枚繞地球運行的微型衛星「星際邊界探測器」(Ibex),用來繪製太陽圈與星際空間相接的邊界圖。Ibex探測到從星際邊界噴射而來被稱為「高能中性原子」的粒子帶。

蘭金說,「你可以把Ibex測繪想象成某種測量恆星視向速度的『多普勒雷達』,而旅行者號就像地面氣象站。」蘭金使用來自旅行者號、Ibex和其他方面的數據來分析較小規模的太陽風暴。她目前正在根據2014年開始的太陽風暴數據撰寫一篇論文。已經有證據表明,旅行者1號越過太陽圈邊界時,太陽圈正在縮小,但旅行者2號越過邊界之時,太陽圈卻在擴大。

她說,「這是一個相當動態的邊界。Ibex的3D圖竟捕捉到這一發現,實在了不起,這讓我們能夠同時追蹤到事件發生時旅行者號當場的反應。」

Ibex揭示了太陽圈邊界究竟有多活躍。Ibex第一年發現了一條巨大的高能中性原子帶蜿蜒穿過太陽圈邊界,這個中性原子帶會隨時間變化,在短短6個月時間一些特徵會出現和消失。這條帶狀區域位於太陽圈層頂的前端,在這裏太陽風粒子會被星系磁場反射回太陽系。

但是旅行者號的長征故事還很漫長。雖然兩個航天探測器已經離開了太陽圈(日球層),但仍然在太陽的勢力範圍之中。例如,用肉眼仍能夠看到太陽的光,認得出太陽。而且我們太陽的引力也遠遠超出了太陽圈,能夠拉住一個由冰、塵埃和太空碎片組成的非常稀疏而巨大的球體雲團。這個雲狀天體稱為奧爾特雲。

儘管漂浮在遙遠的星際空間,奧爾特雲中的物質仍然圍繞太陽運行。雖然太陽系一些彗星即來自奧爾特雲,但發射探測器到3千億到 1萬5千億公里的奧爾特雲,也實在是太遙遠了。

這些極其遙遠的天體,自從太陽系形成以來就幾乎沒有改變過,它們可能掌握著行星如何形成,以及生命為何能夠在我們的宇宙中出現等這一切問題的解答之鑰。隨著每一波新數據的出現,也隨之出現新的謎團和問題。

普洛沃尼科娃說,可能有一層氫氣覆蓋了部分或全部的太陽圈,其對太陽圈的作用尚未被破譯。此外,太陽圈似乎正在穿越銀河系中一個由遠古宇宙事件遺留下來的粒子和塵埃組成的星際雲團,即天文學所謂的本星際雲團。本星際雲團對太陽圈邊界,以及生活在其中的我們地球生命有何影響,也仍然有待研究。

普洛沃尼科娃說說,本星際雲團「可以改變太陽圈的大小和形狀。它可能有不同的溫度,不同的磁場,不同的電離體和所有這些不同的參數。這令人非常興奮,因為這是一個未知數很多的領域,而我們對太陽和本星系(即銀河系)之間的相互作用還知之甚少。」

但無論怎樣,這兩輛體積宛如小汽車、由金屬螺栓連接在小型拋物面天線上的旅行者號探測勇士,在我們探索太空的旅程中,將為我們的太陽系充當先鋒,率先勇敢闖入一個陌生而未知的太空領域,揭示其秘密。

 

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