触摸太阳系的边界

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太阳系的深处,似乎是一个被上帝遗忘的角落,为人熟知的物理定律也会变得“反常”。这就是太阳系的边界。

太阳系的边界在哪里?这并不是一个如想象中那么容易回答的问题。有些东西具有明确的边界,例如一张桌子或者一片足球场。而其他的一些则并不那么显而易见,例如城市或者乡镇,很难说清楚它们究竟止于何处。太阳系的边界更类似于后者。

你可能会想,太阳系的边界其实就是太阳的作用可以波及的最远距离。那么太阳的作用究竟指的是什么?

阳光所能“照亮”的范围并不能很好地告诉我们太阳系的边界在哪里。因为随着远离太阳,阳光会越来越暗,但并不存在一个地方,阳光会戛然而止或者突然变弱。太阳的引力也一样。事实上,天文学家仍然在不断发现位于冥王星轨道之外的太阳系天体。

然而,太阳风迥然不同阳光和引力。它是从太阳表面被“吹”出来的带电粒子,向恒星之间的领域(星际空间)进发。通常星际空间被认为是“空”的,但其实包含有痕量的气体和尘埃。太阳风会“吹打”这些物质,并且在其中清理出一个气泡状的区域。这个包裹着太阳和太阳系的“气泡”被称为“日球层”。尽管形状上类似肥皂泡,但其实从物理上它更像是在寒冷的空气中你所呼出的一团白色雾状气体。科学家们认为日球层的最内侧到太阳是90个天文单位,差不多是冥王星的2.5倍远。这里就是太阳系的边界。

细窥太阳系边界

在你家厨房里就能演示太阳系边界的情况。打开水龙头,从龙头中流出的水打到洗碗池的底部,水流就会以更高的速度向外扩散,形成一个由水流组成的“圆盘”, 在这个圆盘的边界周围会形成一道水墙,在它之外水流的速度就会降低。这就像是终端激波中的太阳风。

太阳系的边界也有这样的“墙”。太阳系之外是广袤的星际空间。其中的星际介质非常稀薄,在密度最高的地方,它的密度也只有地球大气的一百万亿分之一,但它仍然具有压强。而从太阳“吹”出的太阳风也是如此,它们会相互抗衡。在靠近太阳的地方,太阳风具有很大的推力,可以轻松地吹散太阳周围的星际介质。不过在远离太阳的地方,星际介质最终会胜出,它会使得太阳风减速并且最终停下来。太阳风减速并且开始和星际介质相互作用的地方被称为“太阳风鞘”,就像是洗碗池里的水墙。它包含了终端激波(太阳系边界的最内层)、太阳风层顶(太阳系边界的最外层)以及介于两者之间的共三部分。

这堵“墙”上会发生许多重要的变化。在物理上,终端激波对应的正是太阳风的速度降低到小于当地声速(见本期辞典)的地方。太阳风由等离子体组成,当它减速的时候就会压缩到一起,就像一群人同时涌入一个小房间。受到挤压之后等离子体就会大幅升温。同样地,太阳风中夹带的太阳磁场也会在终端激波处增强。

到目前为止,对终端激波仅进行了2次直接探测。“旅行者”1号和2号分别在2004年和2007年从不同侧穿越了终端激波,两者当时到太阳的距离分别为94和84个天文单位,足足差了10个天文单位。这一不对称性显示,由于至今不明的某种原因太阳系倾向了一侧,更多地把它的另一侧暴露在了星际空间中。

太阳风层顶则是太阳风和星际介质的边界,在那里太阳风的强度不再足以抵抗星际介质的压强,因此作为日球层外边界的太阳风层顶也经常被视为是整个太阳系的外边界。由于太阳在星际介质中并不静止且运动速度大于其中的声速,因此在日球层的前方还会形成弓形激波,它和在超音速飞机前方出现的激波十分类似。

探索宇宙射线之伞

太阳系边界这样的结构保护了地球。它把整个太阳系和外部的星际介质,乃至银河系环境隔绝开来。如果太阳系没有边界,或者它的边界位于地球轨道之内,那么进入太阳系内的宇宙线将会升高到目前的至少4倍,虽然地球的磁层可以抵挡住其中一部分,这还是会将直接导致对地球臭氧层的破坏,造成对DNA的损伤和变异,增加患癌症、白内障和神经障碍的风险,长期看来还会影响地球生命的演化。

因此从另外一个角度来讲,对日球层的研究将帮助我们为未来离开太阳系的星际旅行做好充分的防范准备。而在这一研究领域中有一个探测器不能不提,那就是美国宇航局的“星际边界探测器”(IBEX)。

2 0 0 8年10月19日,IBEX使用挂载在L-1011飞机下方的“飞马”火箭发射入轨。IBEX的轨道位于地月之间5/6处,如此高的轨道使得它在大部分时间里都能免受地球磁层对其观测的干扰。但即便如此,它还是距离太阳系的边界非常遥远。不过没关系,IBEX自有高招。

IBEX是一个小型的探测器,大小和公共汽车轮胎相当。在它上面装载有用于观测太阳系边界的“望远镜”。与普通接收光的望远镜不同,这些“望远镜”是用来搜集高能中性原子(ENA)的。顾名思义,ENA其实就是快速运动的电中性粒子。ENA的前身通常是带电的离子,当这些离子和中性原子相作用的时候,就会从它们那里“窃取”电荷,进而呈电中性。这一相互作用被称为“电荷交换”。

在太阳系边界,太阳风中的离子和星际介质中的中性原子相互作用的时候,就会发生电荷交换。由于这些粒子本身不再带电,它们的轨迹也就不会再受到磁场的影响,会从相互作用发生的地点沿直线向外运动。IBEX上的传感器可以探测从每小时1个到每分钟数个的 ENA流量。这些来自冥王星轨道之外的粒子要花上少则1个月多则11年的时间来完成整个旅程。IBEX上的两架“望远镜”会随着IBEX的自转收集来自天空中不同方位的ENA。这就使得科学家们能绘制出一张全天的ENA分布图,不像先前的两个“旅行者”号探测器只能探测星际边界上的某个局部区域。

IBEX的初步结果大大地出乎了所有人的意料。它发现了原先不为人知的惊人结构,在两个“旅行者”探测器之间存在一个蛇形的ENA聚集带。对这一聚集带的详细研究显示,在太阳系边界的某些局部地区离子的密度出现了大幅度地升高。科学家对这一变化的原先预期是大约10%,但实际测量的结果却为200~300%。目前还全然不知该如何解释这一现象。我们原先对太阳系边界的认识还存在不足。

太阳系边缘的未知还不仅限于此,上个世纪70年射的两个“先驱者”号探测器在那里出现的“异常”还没有解释。

更多的未知

上世纪90年代末,美国的一个科学家小组分析了对“先驱者”10号和11号其为期4年的观测资料,发现一件怪事。1998年,“先驱者”10号的位置比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论预期的近了58000千米。“先驱者”11号的情况也差不多,距离比预期的近了大约 6000千米。这就好像有某种未知的力作用在这两个探测器上,使得它们以恒定的速率减速。总不会是牛顿和爱因斯坦都错了吧?还是观测数据中存在误差?

10多年过去了,至今还没有人能给出一个令人满意的解答。不过,2006年1月19日发射的冥王星探测器“新视野”号(New Horizons)兴许能在不远的将来为我们提供一些线索。它现在已经越过土星轨道,将在2015年到达冥王星,约2029年到达太阳系边界。那里究竟还隐藏着些什么?也许只有时间和对未知的孜孜以求才能回答。