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NASA旅行者二号探测器发现星际空间比我们所想象的还要更加怪异

这张插画显示美国航天总署(NASA)航海家一号和航海家二号探测器已经位在太阳圈(heliosphere)之外。 太阳圈是太阳产生的保护性气泡,范围远远延伸超过冥

这张插画显示美国航天总署(NASA)航海家一号和航海家二号探测器已经位在太阳圈(heliosphere)之外。 太阳圈是太阳产生的保护性气泡,范围远远延伸超过冥王星轨道。 ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

旅行者一号和旅行者二号的伟大旅程

旅行者一号和旅行者二号的伟大旅程

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):旅行者二号(Voyager 2)是有史以来第二艘穿越我们与银河系期它部分边界的宇宙飞船。

美国航天总署的旅行者二号在离家数十亿公里的暗黑太空之中,为太空探索立下了里程碑,在2018年11月,成为有史以来第二艘进入星际空间的宇宙飞船。 值此周年之际,科学家发表了当时旅行者二号穿越边界时所观测到的情况,这让人类对太阳系的某些重大奥秘有了崭新的理解。

五篇刊登在11月7日出版的《自然天文学》(Nature Astronomy)期刊的文章,发表了这些最新发现,这是首度有宇宙飞船直接对充斥星际空间和太阳系最远范围的带电雾霾──或电浆──进行采样。 这也是旅行者二号宇宙飞船的另一次「第一」,它在1977年发射升空后首度(也是唯一一次)飞越冰质巨行星天王星和海王星。

旅行者一号在2012年完成了同样的壮举,而旅行者二号追随着他的兄弟冲向星际空间。 这两艘宇宙飞船收集到的数据有许多共同特征,像是它们在星际空间所遭遇到的粒子总密度。 但有趣的是,这对双胞胎宇宙飞船在离开太阳系时也看到了一些关键差异,让我们对太阳在银河系中的运动又有了新的疑惑。

加州理工学院(California Institute of Technology)的旅行者号计划科学家──物理学家埃德. 史东(Ed Stone)在新闻发布会上这么说:「这确实是一趟美妙的旅程。 」

「人类能够探索星际空间真是令人兴奋,」未参与这项研究的普林斯顿大学(Princeton University)博士后研究员──物理学家杰米. 兰金(Jamie Rankin)补充说道,「自旅行者一号穿越太阳系边界以来,我们就成为星际旅行者了。 但现在旅行者二号的穿越令人更加兴奋,因为我们现在可以比较星际介质中两个非常不同的位置。 」

美国航天总署的旅行者二号在离家数十亿公里的暗黑太空之中,为太空探索立下了里程碑,在2018年11月,成为有史以来第二艘进入星际空间的宇宙飞船。 值此周年之际,科学家发表了当时旅行者二号穿越边界时所观测到的情况,这让人类对太阳系的某些重大奥秘有了崭新的理解。

五篇刊登在11月7日出版的《自然天文学》(Nature Astronomy)期刊的文章,发表了这些最新发现,这是首度有宇宙飞船直接对充斥星际空间和太阳系最远范围的带电雾霾──或电浆──进行采样。 这也是旅行者二号宇宙飞船的另一次「第一」,它在1977年发射升空后首度(也是唯一一次)飞越冰质巨行星天王星和海王星。

旅行者一号在2012年完成了同样的壮举,而旅行者二号追随着他的兄弟冲向星际空间。 这两艘宇宙飞船收集到的数据有许多共同特征,像是它们在星际空间所遭遇到的粒子总密度。 但有趣的是,这对双胞胎宇宙飞船在离开太阳系时也看到了一些关键差异,让我们对太阳在银河系中的运动又有了新的疑惑。

加州理工学院(California Institute of Technology)的旅行者号计划科学家──物理学家埃德. 史东(Ed Stone)在新闻发布会上这么说:「这确实是一趟美妙的旅程。 」

「人类能够探索星际空间真是令人兴奋,」未参与这项研究的普林斯顿大学(Princeton University)博士后研究员──物理学家杰米. 兰金(Jamie Rankin)补充说道,「自旅行者一号穿越太阳系边界以来,我们就成为星际旅行者了。 但现在旅行者二号的穿越令人更加兴奋,因为我们现在可以比较星际介质中两个非常不同的位置。 」

泡泡内部

要了解旅行者二号的最新发现,我们得先了解太阳并不是颗安静燃烧的光球。 我们的恒星是座翻腾不已的核熔炉,以每小时约72万4000公里的速度在银河系中飞驰,绕着银河系中心绕行。

太阳还会因为扭曲的辫状磁场而分裂,因此表面不断散发出称为太阳风(solar wind)的微弱带电粒子流。 一阵阵的太阳风伴随着太阳磁场,向四面八方高速奔驰,最后太阳风会撞上星际介质──远古恒星爆炸产生的碎片四散在恒星之间的太空。

就像是油和水一样,太阳风和星际介质不会完美地混合在一起,因此太阳风在星际介质中形成了一个称作「太阳圈」的泡泡。 根据旅行者号的数据,这个气泡的前缘从太阳向外延伸约177亿公里,包覆住太阳、八颗行星以及绕着这颗恒星运行的许多外围天体。 太阳圈相当重要,能够保护屏蔽其中的所有物体,包括让我们脆弱的DNA不受大多数来自银河系最高能量辐射的危害。

太阳圈最外层的边缘称为「日球层顶」(heliopause),这里代表着星际空间的起始之处。 理解这个边界,对我们了解太阳穿越银河系的旅程来说相当具有启发性,这反过来又可以告诉我们更多有关散布在宇宙中其他恒星的情况。

「我们试图了解边界的性质,这两种风在这里碰撞并混合在一起,」史东在简报中表示,「它们如何混合,有多少物质从气泡的内部流到外部,又有多少物质从气泡的外部流到内部呢? 」

科学家是在2012年8月25日旅行者一号首度进入星际空间时,才首度得以一窥日球层顶。 起初的观测结果让他们伤透脑筋。 像是研究人员现在知道星际磁场比预期强了大约二至三倍,这表示星际粒子在太阳圈上施加的压力比先前认为的还要大上十倍。

美国航天总署总部的计划科学家──物理学家派崔克. 科恩(Patrick Koehn)说:「这是我们首度能够真正体验星际介质的平台,因此这艘宇宙飞船是个名符其实的开创先锋。 」

渗漏的边界

尽管旅行者一号颠覆了科学家的预期,但它所带来的启示仍不够完备。 旅行者一号用来测量电浆温度的仪器早在1980年就已经停止运作。 不过旅行者二号的电浆仪器仍能正常运作,因此当它在2018年11月5日越过日球层顶时,科学家可以对这个边界有更清楚的认识。

这让研究人员首度观测到,当物体抵达距日球层顶不到2.3亿公里时,它周围的电浆速度会变得更慢、温度上升且更为稠密。 在边界的另一侧,星际介质的温度至少有摄氏3万度,这比预期的温度还要更高。 但此处的电浆非常稀薄且弥散,因此旅行者号探测器周围的平均温度仍然相当低。

此外,旅行者二号证实了日球层顶是个渗漏的边界──而且两个方向都会渗漏。 在旅行者一号穿过日球层顶之前,它迅速穿越了星际粒子往日球层顶挤压形成的卷须──就像是树根向内穿入岩石那样。 但是旅行者二号看到了低能量粒子的细流,往日球层顶向外延伸达数亿公里之远。

当旅行者一号进入日球层顶13亿公里之内时,另一个谜团出现了,它进入了一个像是边境的区域,在那里向外的太阳风逐渐减速。 在穿越日球层顶之前,旅行者二号观测到太阳风形成了一种完全不同的层次,奇怪的是这层的宽度几乎与旅行者一号所见的停滞层相同。

「那非常、非常奇怪,」科恩说,「这的确告诉我们,还需要更多的数据。 」

星际续集?

想要解决这些难题,得对整个太阳圈有更深入的认识。 旅行者一号在靠近太阳圈的前缘处离开,与星际介质发生碰撞;而旅行者二号则沿着太阳圈的左侧离开。 我们没有太阳圈尾流的数据,因此太阳圈的整体形状仍然成谜。 星际介质的压力可能会使太阳圈大致保持球形,但也可能有像彗星一样的尾巴,或者是像牛角面包一样的形状。

但是,尽管其他宇宙飞船目前正在向外飞行,但未来它们无法从日球层顶将数据送回地球。 美国航天总署的新视野号(New Horizons)宇宙飞船正在以超过每小时5万公里的速度向外离开太阳系,并且会在2030年代耗尽电力,将在距太阳圈外缘不到16亿公里的地方陷入沉寂。 这就是旅行者号计划的科学家和其他人呼吁进行后续星际探测的原因。 目标是为期50年的多世代任务,在前往太阳风以外的未探索区域时,也能探测太阳系的外围区域。

「这里是整个泡泡,我们只从其中的两点穿越,约翰. 霍普金斯大学(Johns Hopkins University)应用物理实验室(Applied Physics Laboratory)太空系的荣誉系主任斯塔玛提奥. 克里明吉斯(Stamatios Krimigis)在简报中说表示,「两个观测点是不够的。 」

新一代的科学家也渴望握着接力棒向前奔跑,其中包括在加州理工学院获得博士学位的兰金,她的论文是有关旅行者一号的星际数据,史东则是她的指导教授。

「处理在我出生前发射宇宙飞船的最新数据真是太神奇了,」她说:「我真的很感谢所有在旅行者号上花费了这么多时间的人。 」




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