太阳风吹大了日光层

杨晓梅

太阳风突然加强时会发生什么？最近的两项研究发现，太阳风加强会使整个太阳系的边界向外膨胀。研究人员指出，研究冲击到边界又反弹回来的太阳风粒子，能揭示太阳系变化后的新形状。

2014年年底，美国航空航天局探测到太阳风的一次巨大变化。这是近10年来太阳风风压（其速度和强度的综合指数）首次增长近50%，并持续了数年之久。2年以后，星际边界探测器（IBEX）首次探测到了由此引发的后果：太阳风粒子在风压作用下到达了日光层边缘，变成中性粒子，并一路弹射回地球。这些太阳风粒子非常具有研究价值。

在最近发表的两篇文章中，科学家利用IBEX获取的数据和复杂的数学建模来研究这些弹回的原子：它们能说明什么？它们又预示着日光层（被太阳风像薄膜一样包裹着的太阳系）的形状和结构发生怎样的变化？

普林斯顿大学新泽西校区IBEX项目的主要负责人大卫·麦克马斯指出：“结果显示，2014年太阳风风压的加强已经波及日光层的边缘，在距离太阳最近的方向，日光层的边缘已经发生了变化并向外扩展。”他预计，凭借未来几年IBEX 传回的大量数据，研究者可以测绘出日光层其他部分外缘扩展的形状。

从太阳到太阳系的边缘，然后返回

最重要的研究对象是充满能量的中性原子，也就是产生在太阳系边缘的高能粒子。

当太阳风从太阳中心以超音速冲向宇宙时，它“吹起”的那个大泡泡就是我们所说的日光层，包裹着太阳系中所有的行星，以及行星之外的浩瀚空间。这个大泡泡将太阳系的领域与宇宙其他空间区分开来。

但太阳风的旅途并非一帆风顺。在奔向日光层边缘（也被称为日球层顶）的过程中，太阳风要通过几个不同的层面。第一个就是激波边界。

在到达激波边界之前，太阳风风速极快，几乎不受任何外力阻挡。

“但到达距离我们大约150亿千米的激波边界之后，太阳风速度突然下降。穿过此边界之后太阳风继续向外扩展，温度也变得很高。”来自普林斯顿大学的艾瑞克·兹恩斯坦在论文中指出。他是其中一篇论文的第一作者。

穿过激波边界，太阳风粒子就进入一层特殊的不稳定层——日鞘。整个激波边界以内区域基本是个球体，但日光层在太阳上方的边缘形状更像一个拱形，拱顶距太阳近，后面则是很长很宽的地带，有点像拖着尾巴的彗星。在日光层边缘，太阳风粒子与星际粒子相互混合并发生碰撞：炽热、带电的太阳风粒子与速度慢、温度低的中性原子发生碰撞，获得一个电子从而变成中性。

“从这个位置它们冲向宇宙，其中一些又原路返回地球，这就是IBEX 探测到的高能量中性原子。”兹恩斯坦指出。

2016年年底，IBEX探测到这些中性原子的信号出现了异常增强，麦克马斯教授及其团队开始调查其原因。调查结果发表在2018年3月20日的《天文物理学通讯》上。文章指出，这些高能中性原子来自星际迎风向偏南30°，也就是日鞘距离太阳最近的地方。

为了证实这种现象和2014年太阳风风压增强有关，麦克马斯研究团队利用数学建模来求证这两者之间的因果关系。

两篇文章的合著者，阿拉巴马大学亨茨维尔分校的雅各布·希瑞克胡森指出：“这种建模首先需要建立一个物理模型，然后转化为方程，进而在超级计算机上进行计算。”

利用计算机技术，研究团队模拟出了整个日光层，设定它突然受到太阳风压增强的冲击，然后进行计算。整个模拟过程自始至终都靠数据来说话。

模拟显示，一旦到达激波边界，太阳风就会产生压力波。压力波一路到达日光层的边界，部分又反弹回去，这种作用力使太阳风粒子在它们刚刚经过的日鞘区域（密度已增高）发生碰撞。这就是IBEX探测到的中性粒子出现的地方。

这个模拟结果有力地证明了2年多之后，IBEX的确探测到了2014年太阳风风压增强产生的影响。

除此之外，建模还发现2014年的太阳风风压增强最终会把日光层的边界吹大。3年之后的激波边界层，也就是这个日光层内部的泡泡，应该扩大了7个天文单位，也就是7个地球到太阳的距离。日球层顶——泡泡的最外层，已经扩大了2个天文单位，今后还会再扩大。

总而言之，由于太阳风风压的增强，日光层的范围比前几年增大了很多。

日光层的新形状

麦克马斯和他的同事研究的是2014年太阳风风压增强的最初迹象。随着接下来几年的跟踪观测研究，我们会知道更多，包括日光层形成的新形状。

“很多研究一直在预测日光层会发展成什么形状，其中有些研究已经开始很久了，”兹恩斯坦指出，“但是在建模界仍然没有一致的意见，我们希望这次太阳风风压的增强及研究结果能对此有所帮助。”

利用上次发表的文章中的数据和模拟，兹恩斯坦研究团队把目光投向未来，对8年之后的日光层进行建模。这个结果不但可以用来描述过去，还可以预测未来。这篇文章发表在2018年3月的《天体物理学杂志》上。

“我们认为，在不久的将来，日光层会变成一个环形，在天空不断扩张，标志着高能中性原子长期不断的运动。”兹恩斯坦在文章中指出，“这个环形从太阳风粒子以及与它最近的日光层的接触面开始，不断向拱形后部扩展。”

尽管2016年IBEX最初监测到的高能中性粒子区域是一个立体圆形，但这种形狀也不会一成不变。随着太阳风粒子到达距离更远的日球层顶，它们需要更长时间才能反弹回来，如同从更远处传回回音。圆形的日光层让这种“回声” 呈现环形。

然而，最主要的发现来自观察这个环形慢慢扩张的过程。

在兹恩斯坦团队的模拟中，他们发现这个环形扩张的速度部分取决于日光层内部不同分层之间的距离：激波边界，日球层顶，还有日鞘中形成中性粒子的区域。兹恩斯坦认识到，这是测量日光层的大小和形状的一种新方法。

他指出：“根据这个环形在天空中的变化，我们可以估计日光层中不同区域之间的距离。”

兹恩斯坦团队使用他们模拟的日光层进行测试性研究。通过测量环形扩张的速度，他们能够准确地在模型中重现各个层面之间的距离，进而开展下一步工作——证明这种技术能够得出正确答案。在真正测量日光层各层面时，得出的结果也应该是正确的。

他非常兴奋，因为这很有可能揭示了日光层的真正形状。

“未来几年，随着IBEX数据的积累，我希望可以绘制一个日光层形状的3D图片。”

这两项研究的结果都具有重要的实际意义。“把太阳的变化和观测到的高能中性原子联系起来，可以帮助我们更好地了解宇宙辐射环境的长期变化——可以说是宇宙气候，而不是宇宙天气。随着太阳风风压增强或减弱，它吹起的泡泡会变大或变小，这会直接影响进入日光层的宇宙射线的数量，而这些射线会对长时间进行宇宙科考的飞行员造成潜在的伤害。”麦克马斯总结道。

这些结果也凸显了太阳难以置信的威力。太阳和太阳风的变化能影响到上百亿千米之外的宇宙，那里仅有两个人类飞行器曾经到达过。日光层是人类在银河系的家，随着高能中性粒子成像这类技术的发展，我们不仅能绘制，而且可以准确测量出日光层内部更遥远区域的分层结构和相互距离。