230億公裡外，旅行者號探測器重大發現，太陽系外圍的電子爆發

2020-12-09 姿勢分子knowledge

在最近10年內，NASA發射於1977年的兩個旅行者號探測器就飛出了太陽系日球層以外，進入到了星際旅行的階段。

日球層是一個特殊的範圍，在日球層內的太空中，來自於太陽的輻射要更加強大一些。而在日球層之外的星際空間，由於距離太陽比較遠，太陽輻射的影響力也就小了很多，無法壓制住來自於宇宙的輻射。

同樣的，在如此遙遠的距離下，這片神秘的星際空間始終是人類觀測設備所無法企及的觀測對象。即便望遠鏡再先進，對於這裡的一些信息也仍然愛莫能助。

好在經過了四十多年飛行的兩個旅行者號探測器，已經穿越了超過230億公裡的空間，進入到了這片區域，它們通過自己的「實地考察」，給我們帶來了對星際空間的全新認識。

來自愛荷華大學的天體物理學家Don Gurnett表示：衝擊波加速粒子的概念已經不新鮮了，在太陽系日球層以內的太空中，也就是太陽輻射比較強大的區域內，科學家們已經多次觀測到這種粒子。不過，此前還從沒有人見識到它與來自於宇宙的衝擊波出現在一個「全新的未探索介質中」。

我們知道，在核心處進行著極其劇烈核聚變的同時，太陽還在表面釋放著非常恐怖的輻射。大量的等離子體形成了強大的帶電粒子流向外噴射，同時還形成了強大的磁場，這就是所謂的太陽風。我們之所以感受不到太陽風的威力，是因為有地球磁場的保護，抵禦了強大的輻射。去看看火星吧，正是因為沒有磁場的保護，它大氣層中大量的氣體分子都被太陽風剝離了，現在只有一個不完整的大氣層。

根據旅行者號探測器傳回的數據，在距離太陽大約100億公裡的位置，太陽風的強度就開始逐漸落於宇宙輻射的下風，這就是日球層。 在確定太陽系引力範圍之前，科學家們有時也以這個概念來理解太陽系邊界。

在日球層之外，星際空間的環境和太陽系內側有著天壤之別。在這樣的極寒環境下，在衝擊波作用下穿越了上百億公裡的太陽等離子體，到底會遇到什麼情況，一直是科學家們非常好奇的問題。

這也是旅行者號探測器的巨大優勢，在經歷了43年的飛行之後，它們已經進入了這樣的空間，對這裡的各種宇宙現象進行著「實地」探測，這樣的優勢是任何其他探測器所不具備的。正是通過這兩個探測器傳回的數據，科學家們對這些衝擊波在星際空間的表現有了新的理解。

研究表明，有的時候，太陽表面會出現一些非常大規模的劇烈噴發，而這種噴發正是一切的開始。球形的衝擊波迅速向外擴張，將日冕拋射出的物質以等離子體的形式高速吹送到星際空間。在這裡，同樣由衝擊波推動的宇宙輻射以更高的能量與其產生的切向磁場發生碰撞。從太陽釋放出來的等離子體撞擊到磁場後會有一部分發生反彈而改變方向，它們再和原本就在這個方向的等離子體相互作用，獲得更高的能量，這就是旅行者號探測器在這裡所檢測到的現象。

這些等離子體會給低能電子加熱，然後這些電子沿著磁場線的方向傳播出去。根據旅行者號的探測數據，有些時候，這些後方的等離子體需要花費一個月的時間，才能追上前方飛馳著的衝擊波。前方衝擊波所在的位置，被科學家稱為「宇宙射線前震（cosmic-ray foreshock）」。研究人員指出，這種前震就發生在磁場線的方向上。

（圖片說明：太陽風和宇宙射線激烈碰撞的示意圖）

Gurnett指出：「通過宇宙射線檢測儀器，我們已經確認，這些都是被太陽表面發生的高能太陽事件所傳播出來的星際衝擊波所反射和加速的電子，這是一種全新的機制。」

研究人員表明：這一次研究的結論和此前的一些數據吻合得非常好，這意味著這些研究的可靠性都非常高，因此十分振奮人心。

從最近幾年穿越日球層開始，兩個旅行者號探測器就一直向我們介紹著日球層以外的神秘空間。就在今年10月份，旅行者2號剛剛向我們報告：在太陽系日球層以外的星際空間，物質密度反而有所提升，這很有可能就是所謂的超局地星際介質。

而這一次的研究則向我們展現了另一個發現，那就是在日球層以外，磁場的強度可能也遠遠超過了我們的想像，以至於可以讓位於衝擊波前方的電子發生反彈並且進一步加速飛行。

研究人員最後總結道：「根據我們的解釋，這些高能粒子的爆發是來自於衝擊波在於穿過太空飛行器的磁場線首次接觸時相對論性宇宙射線電子的反射（以及加速）所產生的。」

關於星際空間的輻射及其物理原理的研究，對於我們了解太陽系的邊界有著莫大的幫助，同時也可以讓我們更深入地理解宇宙中各種天體所帶來的輻射。我們知道，這些輻射都攜帶著強大的能量，對於人類來說是致命的傷害。對它的研究可以幫助我們更好地未雨綢繆，保護地球。

很難想像，如果沒有兩個旅行者號探測器，人類需要多久才能夠了解星際空間的這些秘密。不過，在大約2025年的時候，這兩個探測器的能源也將徹底耗盡，從此失去探測宇宙和聯繫地球的能力。屆時，我們也將失去對星際空間的探索能力。

我們不知道何時才會有下一代通往星際空間的探測器能夠發射升空，即使發射升空，它們需要多久才能飛到旅行者號這麼遠也是一個疑問。我們只能珍惜這最後5年的時間，並寄希望於它們能夠收集到更多的信息。5年之後，我們將不再擁有這樣的機會……

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