科学家们叫被太阳影响的太空区域为日球层但没有一个星际探测器关于它的形状他们不知道太多的

By Sarah A. Spitzer

 published 12 hours ago

The Sun

太阳是这场演出的明星。

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日球层封锁许多宇宙射线，在这张动画图像中从到达我们太阳系的行星显示为明亮的条纹。 (Image credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab)

这篇文章最初发表在会话（The Conversation）上。该出版物将这篇文章贡献给太空网站的《专家之声：编辑意见与洞察》

萨兰斯皮策（Sarah Spitzer）是密歇根大学气候与空间科学与工程系的研究员。

太阳温暖地球，使它对人类和动物适合居住的。但这并不是它做的全部，它影响一个远更大的空间区域。日球层，被太阳影响的空间区域比太阳到地球的距离更大一百倍以上。

太阳是一颗恒定的发射一个稳定的等离子体流——高能电离气体——叫太阳风的恒星。除了恒定的太阳风外，太阳还偶尔释放叫日冕物质抛射的等离子体爆发，这能贡献到极光和叫耀斑的光和能量的爆发。

来自太阳的等离子体一道与太阳的磁场一起膨胀过太空。它们共同在围绕局部星际介质内形成日球层——等离子体、中性粒子和尘埃填充恒星和它们各自的天球之间的空间。像我这样的太阳物理学家想要了解日球层以及它如何与星际介质相互作用。

太阳系中已知的八颗行星，火星和木星之间的小行星带和柯伊伯带——海王星以外包括小行星冥王星的天体带——都位于日球层内。日球层是如此大以至于柯伊伯带内的天体比到日球层最近的边界更靠近太阳环绕。 

艺术家的日球层和它在当地星际介质和银河系中的位置的描绘。一个星际探测器可以比任何以前的航天器旅行更远，并帮助科学家从外部获得一个我们的日光层——太阳在太空中的影响的很好观察。 (Image credit: JHU/APL)

日球层保护

随遥远的恒星爆炸，它们以叫宇宙射线的高能粒子的形式驱逐大量辐射进入星际空间。这些宇宙射线能对生物体是危险的并能破坏电子设备和航天器。

地球的大气层保护地球上的生命免受宇宙辐射的影响，但甚至在此之前日球层本身起一个免受大多数星际辐射的宇宙屏障作用。

除了宇宙辐射，中性粒子和尘埃也从当地的星际介质稳定的流入日球层。这些粒子能影响地球周围的空间，甚至可能改变太阳风如何到达地球。

超新星和星际介质也可能已经影响了地球上生命的起源和人类的进化。一些研究人员预测数百万年前，日球层来与星际介质中的一个造成了日球层来收缩的冷和致密的粒子云接触，将地球暴露到当地的星际介质。

一个未知的形状

但科学家们真的不知道日球层的形状是什么。模型的形状范围从球形到彗星状再到牛角面包状。这些预测尺寸上从太阳到地球距离的数百到数千倍变化。

然而，科学家们已经将太阳正在运动的方向定义为“鼻”方向，将相反的方向定义为 “尾”方向。鼻方向应该有到日顿---日球层和当地星际介质之间的边界---最短的距离。

一位艺术家的日球层的描绘——真实形状仍然未知。添加了太阳、日顿和鼻和尾方向的标签以及侧翼方向的示例。据信旅行者号探测器在它们的长达数十年的旅程期间已经越过了日球层。 (Image credit: NASA/JPL-Caltech)

从来没有一个探测器获得过一个日球层从外部的很好观察或适当的采样当地的星际介质。这样做可以告诉科学家更多关于日球层的形状及它的与当地星际介质的相互作用，日球层以外的空间环境。

用旅行者号穿越日顿

1977年，美国宇航局发射了旅行者号使命：它的两艘航天器飞过了外太阳系中的木星、土星、天王星和海王星。科学家们已经确定在观测到这些气态巨行星后，探测器分别的于2012年和2018年穿越了日顿并进入了星际空间。

虽然旅行者1号和2号是从来唯一潜在的穿越日顿的探测器，但它们远远超出了它们的被打算的使命寿命。随它们的仪器缓慢故障或断电它们不能再返回必要的数据。

这些航天器被设计来研究行星而不是星际介质。这意味着它们没有合适的仪器来采取科学家所需的星际介质或日光层的所有测量。

这就是潜在的星际探测使命可能进来的地方。一个被设计来飞越日顿外的探测器将通过从外部观察它来帮助科学家了解日球层。

一个星际探测器

由于日球层是如此大，甚至用来自木星一样大型行星的引力辅助一个探测器会用几十年来到达边界。

旅行者号宇宙飞船在一个探测器退出日光层之前很久将不再能够从星际空间提供来自星际探测器的数据。一旦探测器被发射，依靠轨道它大约要用50年或更长时间到达星际介质。这意味着美国宇航局等待发射一个探测器的时间越长，科学家们在外日光层或当地星际介质中没有使命的时间就越长。

美国宇航局正在考虑开发一种星际探测器。该探测器将测量星际介质中的等离子体和磁场并从外部成像日球层。为做好准备，美国宇航局就使命概念征求了1000多名科学家的意见。

最初的报告推荐探测器旅行在一个距离日光层的鼻子方向约45度的轨道上。这条轨迹将回溯旅行者号的部分路径，同时到达某些新的太空区域。这种方式，科学家们可以研究新的区域并重新访问一些部分已知的太空区域。

这条路径只能赋予探测器一个日球层的部分角度观望，而且它不能够看到科学家们知道最少的日尾区域。

在日尾中，科学家预测，构成日球层的等离子体与构成星际介质的等离子体混合。这通过一个叫磁重联的过程发生，该过程允许带电粒子从局部星际介质流入日球层。就像通过鼻子进入的中性粒子一样，这些粒子影响日球层内的空间环境。

然而，在这个案例中粒子有一个电荷并能与太阳和行星磁场相互作用。虽然这些相互作用发生在离地球很远的日球层边界，但它们影响日球层内部的构成。

在《天文学与空间科学前沿》发表的一项新研究中，我和我的同事评估了从鼻子到尾巴的六个潜在发射方向。我们发现了不是从靠近鼻子方向退出，而是一个与日球层的侧面朝向尾部方向相交的轨迹将为日球层的形状给出最佳视角。

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沿着这个方向的一个轨迹将为科学家们提供一个独特的来研究日球层内一个全新的空间区域的机会。当探测器退出日球层进入星际空间时它将给科学家从外部一个它的形状更详细的了解的角度观望日球层，尤其是在有争议的尾部区域。

最后，无论星际探测器向哪个方向发射，它返回的科学都将是无价的而且字面上是天文的。