旅行者1號駛入星際空間

2020-12-03 果殼網

對等離子體的測量表明，旅行者1號飛船已於2012年8月離開日球層，闖入了星際介質。圖片來源：NASA

美國航空航天局（NASA）的旅行者1號飛船發回的新數據表明，這艘飛船確實已經離開了日球層的懷抱，駛入了寒冷黑暗的星際空間。所謂的日球層（heliosphere），指的是包裹在太陽周圍的一個由熾熱的高能粒子構成的氣泡。自1977年發射以來，旅行者1號一直在急速飛離太陽。最新測量數據顯示，飛船周圍等離子體的密度，已與理論預言的星際介質密度相符。根據這些數據，研究人員表示，旅行者1號大約是在2012年8月25日前後，抵達這片從來沒有被探索過的寒冷的星際空間的。

旅行者1號利用自身攜帶的諸多設備向地球發回數據，科學家早就在期待特定的測量結果。確切地說，就是太陽粒子數量的減少和銀河宇宙線數量的增多。這樣的結果能夠告訴他們，旅行者1號穿透了日球層頂（heliopause），也就是太陽等離子體與星際空間等離子體的邊界。

史威斯達克（Swisdak）等人最近發表在《天文物理期刊通訊》上的一項研究，描述了旅行者1號飛船周邊粒子的一些變化，並用一個理論模型來解釋這些數據。這個模型專注於太陽與星際磁場連接的物理機制，認為旅行者1號探測到的高能粒子變化，是由相關的磁場重新連接的過程導致的。

不過現在，旅行者1號上等離子波科學設備的首席研究員、美國艾奧瓦大學的唐·古內特（Don Gurnett）及其團隊，提供了今年4月9日到5月22日之間的電子等離子體振蕩的測量結果——這在先前的研究中是不可能做到的。這些數據揭示出，旅行者1號當時所處的空間區域裡，電子的密度大約為每立方釐米0.08個。而按照現有的模型，星際介質的電子密度應該介於每立方釐米0.05到0.22個電子之間。

古內特等人的這一結果，9月13日在線發表在《科學快報》上。

「現在，我們掌握了新的關鍵數據，我們相信這是人類邁入星際空間的歷史性一步，」美國加州理工大學旅行者號項目科學家埃德·斯通（Ed Stone）說，「旅行者號團隊需要時間來分析這些觀測，弄清它們的意義。但我們現在可以回答那個我們一直在提的問題了：『我們到了嗎？』是的，我們到了！」

旅行者1號已經穿透了日球層頂，進入了星際空間。圖片來源：NASA

為了了解旅行者1號歷史性穿越日球層頂有沒有可能發生在2013年4月之前，古內特和他的團隊回顧了旅行者1號發回的歷史數據，從中分辨出了另一次與2013年4、5月間類似的電子振蕩事件，發生在2012年10月23日到11月27日之間。他們計算了期間旅行者1號飛船周圍的電子密度，大約是每立方釐米0.06個。

他們說，兩次電子振蕩事件之間電子密度的差異（從0.06到0.08）表明，兩個空間區域之間等離子體的密度是在平滑增長，存在一個所謂的「密度斜坡」。考慮到旅行者1號每年飛行大約3.5個天文單位（1個天文單位相當於太陽到地球的平均距離，約為1.5億千米），研究人員表示，電子密度沿著這個密度斜坡增長的速度，大約是每天文單位升高19%。

「我們在數據中看到這些振蕩的時候，真的是從座位上蹦起來了——它向我們證明，飛船已經駛入一片全新的區域，與我們預期的星際空間的環境相符，與太陽周圍氣泡中的環境完全不同，」古內特說，「很明顯，我們已經穿透了日球層頂，也就是太陽等離子體和星際等離子體之間一直假設存在的那道邊界，時間大概是2012年8月。」

為了進一步確定旅行者1號駛入了星際介質，古內特及其同事最終引用了古內特與他人早在1993年合作發表在《自然》雜誌上的一篇報導。那項研究利用了一系列強勁的太陽風暴，強勁到足以形成一道激波在日球層中穿行。報導中解釋說，在太陽風暴發生400天後，研究人員在2000赫茲起的頻段裡檢測到了射電輻射，這是激波與日球層頂（距離太陽估計在116到117個天文單位）相撞的結果。

這些科學家沿著他們的密度斜坡往前倒推，直到他們讀數的頻率與2000赫茲相符。密度斜坡把他們帶回到了2012年8月，而2012年8月25日恰好是帶電粒子數量下降和銀河宇宙線數量上升的那一天（參見果殼觀星者小組：【NASA發布會】旅行者1號飛入太陽系邊緣一片全新區域，距離抵達星際空間還有最後一步）。他們指出，這一天很可能是旅行者1號抵達星際空間的日子，距離太陽大約121個天文單位。

旅行者1號被報導已經離開太陽系的次數。事實上，進入星際空間與離開太陽系並不能簡單劃上等號。圖片來源：xkcd

「旅行者號已經大膽闖入了先前沒有任何探測器到過的地方，取得了科學編年史上最重要的一項技術成就。隨著它駛入星際空間，人類的科學夢想和科學事業又掀開了新一頁篇章，」NASA科學任務理事會副主席約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說，「或許未來的深空探險家會追上旅行者號——我們的首位星際特使，緬懷這艘無畏的飛船如何幫助他們實現了未來。」

「儘管飛了36年，這件事仍令我驚嘆，」這篇論文的合作者、艾奧瓦大學的比爾（Bill Kurth）說，「我認為，旅行者號任務比人類曾經夢想過的任何任務都要更加偉大得多——不只是離地球去巡遊外太陽系的巨型行星，現在更是首次闖入了星際空間。」

「抵達日球層頂，一直是日球層研究領域的聖杯，」古內特說。現在看來，似乎可以肯定，旅行者1號已經完成了這項任務。

消息來源：EurekAlert!

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