触摸太阳系的边界

本帖转自：http://songshuhui.net/archives/37238.html，Shea　编译


在太阳系的深处，阳光已远没有那么的耀眼，无尽的黑暗几乎吞噬了一切。但就在这黑暗的背后，有一场事关地球上生命生死存亡的“拉据战”已经上演了数十亿年。这里就是太阳系的边界——太阳系最后的高地。

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，例如一张桌子或者是一片足球场，而其他一些的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？是太阳所发出的光？还是太阳的引力或者是太阳的磁场和太阳风？
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，但这一变化是连续而“平滑”的，并不存在一个地方，在那里阳光会戛然而止或者突然变弱。那么太阳的引力呢？就如同光一样，随着距离的增大太阳引力也会不断减小，但它也不具有一条明确的界线。事实上，天文学家仍然在不断发现位于冥王星轨道之外的天体。
然而，太阳风和阳光以及引力都有着迥异的差别。当它从太阳表面被“吹”出来之后，就会向恒星之间的领域（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的距离是日地距离（被定义为“天文单位”）的90倍数，即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。

                               
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[图片说明]：太阳系及其边界宏观概念图。版权：NASA/JPL。

细窥太阳系的边界
在太阳系的边界之外就是广袤的星际空间。星际空间并不是完全的真空，还存在星际介质。星际介质绝大部分由氢和氦组成，其余的则是更重的元素，例如碳。而在整个星际介质中大约有1%是以尘埃的形式出现的。虽然星际介质并不均匀，密度有高有低，但即使是在密度最高的地方，它的密度也只有地球大气的一百万亿分之一。
诚然星际介质是如此的稀薄，但它仍然具有压强。而从太阳“吹”出的太阳风也是如此。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”，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这三部分。
信不信？在你们家的厨房里也存在着类似的现象，只不过一个是平面的，一个是三维。当从龙头中流出的水打到洗碗池底部的时候，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”，这就像终端激波中的太阳风。在这个圆盘的边界周围会形成一道水墙（对应于激波波前），在它之外水流的速度就会降低，类似于终端激波之外的情景。
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的地方，这一减速会导致许多重要的变化。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年穿越了终端激波，两者当时的距离分别为94和84个天文单位，足足相差了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能抵抗星际介质的压强，因此做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。
正是由于这些特性，太阳系的边界把我们以及整个太阳系和外部的星际介质乃至银河系环境隔绝了开，而这里也成为了抵御外部物质“入侵”的主战场。

遮挡宇宙线的大伞
如果太阳系没有边界，或者它的边界位于地球轨道之内，那么进入到太阳系内的宇宙线数量将会升高到目前的至少4倍。宇宙线通常是由恒星爆发所产生的高能粒子，其中包括了电子、质子和其他的原子核。虽然地球的磁层可以为我们抵挡部分来自太阳系以外的宇宙线，但宇宙线数量如此迅猛的提高也会大大增加能穿透地球磁层到达地球表面的高能宇宙线的数量。这将直接导致对地球臭氧层的破坏，并且还会造成对DNA的损伤和变异。

                               
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[图片说明]：能量高于100兆电子伏的高能宇宙线进入太阳系之后的比例。在弓形激波外为100%，穿过太阳风层顶后出现小幅下降。在距离太阳大约100个天文单位处、介于太阳风层顶和终端激波之间的地方，高能宇宙线的数量骤减超过50%。最终只有不到原来25%的才能进入内太阳系。版权：SRI。

宇宙线对DNA的损害非常严重。如果细胞无法修复受损的DNA，那么细胞就会死亡。如果这一损伤被复制进了更多的细胞，那么就会造成变异。暴露在大剂量的宇宙线下会增加患癌症、白内障和神经障碍的风险。长期或者短时间高强度暴露在宇宙线下还会影响地球上生命的演化。
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的空间旅行做好充分地防范准备。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）。

坐地遥看日球层
2008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。

                               
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[图片说明]：IBEX在轨的艺术构想图。版权：Walt Feimer/GSFC/NASA。

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互作用的时候，前者就会从后者那里“窃取”电子进而呈电中性。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，因此它们会从相互作用发生的地点沿直线向外运动。
这一相互作用被称为“电荷交换”。当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。在整个过程中会有大量的粒子发生相互作用，由此产生的ENA也会向各个方向运动。其中一些ENA会恰好朝着IBEX运动并且被探测到，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。在这个过程中传感器会测定它们所来自的方向、到达的时间、粒子的质量以及能量。这就使得科学家们能绘制出一张全天的ENA分布图，而先前的两个“旅行者”号探测器只能探测星际边界上的某个局部区域。但IBEX的初步结果却是大大地出乎了所有人的意料。

                               
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[图片说明]：IBEX探测到的高能中性原子流量的全天分布，中间的蛇形条带清晰可见。版权：SRI。

这一全天探测能力使得IBEX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，这说明我们原先对太阳系边界的认识还存在不足。
五十多年来，人类的触角已几乎遍及了太阳系的各个角落，但唯独它的边界还远未清晰地进入我们的视线。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。

太阳系的边界，不同的参照数据有不同的定义，还有太阳磁层边界，可能更加辽阔