互动科普

寻找日光层的界线

J. R. Jokipii, Frank B. McDonald

四个逐渐老化的太空飞行器正在飞往太阳系的外层区域。它们不久就可穿过最后的障碍进入星际空间。

发光的彗星与极明亮的极光是可见的提醒物，它说明内太阳系中的空间远不是空的。这一区域有来源于太阳的迅速流动的带电粒子渗入，它是一种时常突然一阵阵地刮起的连续不断的太阳风。它的风浪区远远扩展到地球轨道和可见的彗星范围之之外。向外猛冲的粒子与带有它们的太阳磁场，在远远伸展到太阳系最远的行星轨道之外的星际介质中切出一个巨大的球形空腔。这一广大的区域是茫茫无际的空间内由太阳占统治地位的一个气泡，它被称为日光层。

人们可能想象，离开太阳的距离越来越远时，日光层逐渐消失成一道弥漫的边界。在边界内的太阳风粒子则与由尘埃与气体组成的星际微风慢慢混合。但是情况根本不是这样：在外日光层区域近旁，存在—种意想不到的不连续状态，可以认为在这种状态下很可能发生无数有趣的物理现象。但是到目前到止，天体物理学家仍还没有直接测量过日光层的外缘，所以必须对它的确切性质进行推断，建立理论，或者简单地推测。我们甚至于完全不能确实地知道形成的这种边界离太阳有多远。当太空探测器最后穿过靠近星际空间的第一个阻挡层时，我们对遥远的日光层区域的无知也许不过再持续几年罢了。

一小队太空飞行器穿过海王星与冥王星的轨道后沿着将使它们飞出太阳系边缘外的航线继续飞行。这些适合作科学考察的太空飞行器包括先驱者10号与11号以及航行者1号与2号，它们都是在大约20年前发射的。如果我们今天要从这些太空飞行器中的任何一个上回头看太阳系，就会发现太阳是所看见的最明亮的天体。尽管如此，它似乎还是比从地球上看到的暗淡一千倍。即使距离这样远，但是，这四个太空飞行器仍然还是位于日光层内。舱内的仪器继续记载发生在太阳表面上的扰动，它以每秒400公里左右的速度向外传播。尽管速度是如此之大，这些突发的阵风吹到探测器仍然要花好多个月的时间。

先驱者与航行者太空飞行器原来的使命——研究巨大的行星：木星、王星、天王星与海王星——作为空间考察所取得的胜利之一而被计入史册。但是在飞近行星进行了著名的探测和我们对遥远的太阳风复杂的与动力学的特性有了越来越多的了解以后，这四个探测器继续存在的生命力又对这些万能的科学界的宠儿提出了第二个重要使命：研究日光层最遥远的部分及其与星际介质的界面。新提出的这一使命的成功不仅取决于太空飞行器的技术性能，而且也取决于日光层本身的性质。

外日光层

30年前芝加哥大学的Eugene N. Parker就在一系列革命性的理论文章中概述了太阳风与日光层的一般结构。以后的观察证实了他预测的结构，至少包括最远的太空飞行器先驱者10号所处的位置内的结构。我们现在进一步证实了，当太阳风从太阳那里向外辐射移动时，它带有太阳大气层的特征；太阳的某些部分发出了许许多多巨大的髙速风，它的速变很快，比典型的风每秒快数百公里。如果太阳是静止的，这些气流就会只不过形成直线型的射线，但是因为它每27天自转一次，来源于太阳赤道附近的较快气流能够赶上表面上邻近区域发出的较慢气流。有时这一过程持续到太阳自转几次，致使太阳等离子体快气流与慢气流间的界面在空间中成为螺旋形的。这些不规则性随太阳而转动，空间物理学家把它们称为共转相互作用区。

此外，太阳大气层的某些部分可以发出不规则的一股股阵风，它们移动时在太阳中产生短暂的扰动。间或在太阳上的更大喷出物产生严重干扰太阳风中更稳定的气流的爆炸波。

太阳风等离子气体间这许多次不同的相互作用产生冲击波，它们加热风，并且也产生高能粒子。共转相互作用区及其有关的冲击波是远至10个天文单位上的太阳风的主要特征（一个天文单位或AU是围绕太阳的地球轨道的半径，大约1亿5千公里，即9千3百万英里）。再远一点，这种相互作用区结合起来形成所谓的全面并合相互作用区，它们在空间内的范围达到日光层的外部区域。

行星际磁场

嵌入在日光层气流结构内的是复杂的行星际磁场。磁场与太阳风的相互作用可能相当复杂；但是根据众所周知的磁力线概念与当太阳风向外扩展时，这些磁力线赋予它的性质就容易想象出其中的某些特点。

根据地球上的标准来判断，构成太阳风的等离子体是相当薄弱的与无定型的。但是，由于它是良好的导电体，而且气流的动能比磁场的能量大得多，所以日光层中的磁力线可以被视为它们在随太阳风移动，实际上是“冻结”了。这种冻结的磁通量向稀薄的等离子体提供压力和粘度。这些性质产生于磁力，而不是更为熟悉的，建立在较稠密的流体基础上的分子互相作用。所以日光层含有缠结的磁力线，它们由于太阳风的作用而被拉长成为巨大的螺旋形螺层。直到最近几乎还没有人研究过它们。

早期的研究表明，磁力线在不同的太阳经度上轮流地指向太阳或离开太阳。在相当高的日面纬度上测量该磁场的机会首次出现于1974年，当先驱者11号利用木星的巨大引力交换动量偏转处自己的轨迹而脱离黄道面以后。出人意料的是当先驱者11号与航行者1号到达16度北的日面纬度时，它们发现，磁场几乎总是指向外部的（虽然航空航天公司的空间物理学家Michael Schulz曾预测过它）。帕萨迪纳的喷气推进实验室的Edward J. Smith的结论是：太空飞行器正在观测太阳风携带的磁场，并且在北日面纬度上，该磁场的取向是离开太阳的。

在1976年先驱者与航行者的飞行表明，太阳的磁场是有条理的，这样，在北半球的磁力线一般是离开太阳；在南半球的磁力线则指向太阳。因为太阳的磁场的极性每11年改变一次（在太阳黑子最大时），结果是磁周期要持续22年。所以在1986年，先驱者11号与航行者1号空间探测器发现，北部磁场正好指向太阳。

在日光层内，向内与向外取向的磁场间的过渡层具有很薄的，扭曲表面的形状，它是由太阳风向外传送形成的一个巨大的行星际电流片。太阳转动使行星际电流片扭曲，结果是褶皱沿着螺旋形的磁力线分布并随太阳转动。靠近太阳赤道面的太空飞行器发现，当电流片通过空间的磁场转动时，磁场是交替地指向内部与外部的。在太阳活动最少，即每11年才发生一次的太阳黑子较少与活动较低期间，电流片的褶皱最少。在太阳最大期间，它的几何形状成为如此回旋状的，以致正常的片状结构变得完全无法辨认。

但是在无论什么构形中，来源于太阳表面的磁场型式被太阳风带到遥远的日光层边缘需要大约一年以上的时间。在这一期间，较快的等离子流继续与较慢的等离子流汇合，大量产生等离子密度增加的与磁场强度增强的区域。直到某一相当大的，但是到目前为止还不清楚的距离上仍基本保持着太阳风与磁场的大尺度结构。

终点激波

当太阳风移动时，它的体积越来越膨大。最后，太阳风等离子体扩展得如此之稀薄，以致它不再能够向外推斥当地星际介质小的向内压力。太阳风在这一点上的速度没有逐渐减低，因为它的速度大于扰动可能在它内部移动的速度。相反，太阳风的速度发生了突然与剧烈的变化。

这一特性是根据超声流体流动的基本原理得出的。要使运动逐渐减慢，下游物质必须向上游流体发出减低速度的信号。这些信号必定是由通过介质的移动的声波携带的。但是这种波不能逆着比声音移动更快的气流传播。其结果是，上游流体猛烈碰撞前面的流体，这种相碰被称为激波。这种情况类似于后面的汽车不能快到足以减速以避免碰撞前面的汽车时所发生的公路交通事故。

差不多就像对多辆汽车事故一样，我们预计太阳风终点激波是不规则的与湍流的。当太阳风气体通过激波时，它的向外的速度可能减小到大约原来的值的四分之一。太阳风中的部分动能被转换成热，使星际气体的温度上升到一百万摄氏度以上。部分动能被来压缩磁场；我们预计磁场强度可能突增到它在激波内的值的四倍左右。所以在太阳风以热与扰动交换向外速度的边界上，我们希望找到巨大的球状激波面，它具有复杂而又仍然有些神秘的结构。

来自宇宙线的证据

在太空飞行器提供直接的测量结果以前，天体物理学家主要依靠宇宙线来推论与外日光层性质有关的一些问题。银河系的宇宙线是以接近光速传播，并看来像是充满宇宙各部分的亚原子粒子（电子、原子，从氦到铀的所有较重的原子核，与少量的反质子）。它们在宇宙中的普遍存在是根据它们产生高能伽马射线与射电波（可以在地球上检测到它们）的能力推断出来的。在我们的银河系内，宇宙线通常来源于被认为是超新星爆炸的激波残迹将粒子加速到极高能量的地方。此外，在活动增强期间，太阳系偶尔也能够产生相当数量的低能量太阳“宇宙”射线。

日光层始终笼罩在银河系的宇宙线中。由于宇宙线粒子的速度极高与磁场中存在着不规则性，它们能够对着太阳的等离子体逆向扩散。由于它们所带的电荷，这些粒子紧紧地围绕看磁力线旋转，所以，宇宙线也有和固定了的磁通量一道传播到日光层之外的倾向。一般来说，太阳风起调节照射到地球上的宇宙线的强度的作用，使它们难于达到内日光层。这种排斥作用在低能量下是最有效的：高能星宇宙线丛木上不受影响。因为被排斥的部分随太阳活动而有不同，宇宙线强度也随11年的黑子周期发生变化：当太阳活动处于最大程度时，它达到最大值。

银河系宇宙线穿过外日光层，所以它们能够提供有关这一未探测过的区域的有价值的信息。我们对太阳系外层区域的许多了解都是通过将宇宙线怎样穿过日光层的模型和观察结果相比较得到的。例如，来自四个探空探测器的数据表明，宇宙线梯度——银河系宇宙线强度随着与日光层的距离而增加的速度——比预料的小得多。这一发现表明，日光层比发射先驱者与航行者探测器前预测的要大一些。

异常的宇宙线

在70年代初期，当先驱者太空飞行器飞向木星时，一些太空飞行器上的探测器揭示，存在看一种未预料到的低能量宇宙线组分。继续进行的研究证实了由氦、氮、氧、氖、氩与最近才发现还有氢原子核组成的射线在低能区有所增加。这种特殊的组成与能谱说明了异常宇宙线的组分。来自先驱者与航行者太空飞行器的观察表明，异常宇宙线的强度随着与太阳的距离增大而增加。

这种神秘的宇宙线成分的来源是什么？过去二十多年的工作已经描绘出了一幅这些宇宙线怎样产生的令人信服的图景，虽然它的精确度还没有完全证实。

在1974年，当时在国家航空航天局戈达德空间飞行中心的Lennard A. Fisk，Benzion Kozlovsky与Reuven Ramaty提出，异常成份是作为中性原子在星际空间出现的。当日光层通过星际气体移动时，不受磁场或其它等离子体的力影响的中性原子自由地流进内日光层。通过太阳附近的中性原子被太阳辐射或被太阳风本身离子化而成为带单电荷的离子。一旦中性原子成为离子，在太阳风中的磁力线就捕捉它们并使这些粒子向外对流循环。Fisk及其同事推测，以后被加速到较高能量使这些离子成为异常的宇宙线。

这一提法的最初的根据是在星际介质中的大部分碳未能参与这一过程，因为在星际空间碳几乎是完全离子化的（它说明了在异常组分中碳的丰度很低的原因）。最近一些空间飞行器靠近地球的观察证实了异常的氧（其它的组份大概也是如此）带单个电荷。这一结果支持了Fisk及其同亊们提出的模型：来自附近来源（在日光层内）的宇宙线原子核能够保持一些电子.而正常的宇宙线在通过银河系期间完全失去它们的电子。

但是，这些新形成的离子怎样被加速到我们所观察到的中宇宙线能量呢？在70年代，提出了若干见解。但是没有哪一个成功地预测出当先驱者与航行者探测器从远处飞进日光层时所探测到的异常宇宙线强度在稳定地增加。接着，在1981年，我们中间的一个（Jokipii）与那时在马里兰大学的Mark E. Pesses与David Eichler—起提出，加速带单个电荷的离子发生在终点激波边界内。等离子体激波能够加速带电的粒子，并且这一位置似乎是激励宇宙线的很可能的位置——它含有日光层中最强的与寿命租场的激波。以后详细的计算机模拟表明，观察到的异常组份的大部分特征都是自然而然地根据这一概念得到的。

对激波锋面的观察

衣阿华大学的Donald A. Gurnett与William S. Kurth收集了关于终端区的重要线索。从1983年以来，他们用航行者1号与2号太空飞行器上的检测器记录了低频射电噪音的突然出现（2-3千赫）。这些信号持续了许多个月，然后逐渐漂移到较高频率。在1992年7月，这些研究者们观察到了特别强烈的射电现象，并且注意到它发生在异常强烈的太阳活动期后400多天。这一过程采取的方式与发生在1983年的另一次巨大噪音爆发所采取的方式相同。这些值得注意的射电信号可能就产生在终端激波之外，和异常的宇宙线一起提供关于这一未经勘测的广阔区域的惹弄人的信息。

当先驱者与航行者空间飞行器飞得离太阳愈来愈远时，它们就愈来愈有可能很快遇到终端激波。根据当时已经知道的关于星际介质的知识判断，最初是将终端激波边界定在离太阳75至150天文单位的地方上，但是迄今从探测器上收集到的数据则证明实际上这一距离要小得多。因此，完全有可能，一个或更多的探测器将会在下一个10年内到达激波。

所以美国国家航空和宇宙航行局的科学家们采取措施，以保证在探测器通过激波期间进行适当的测定。确实，当太阳风中的突发与扰动将终端激波推进推出时，他们认为他们有几次机会观察它——当锋面通过太空飞行器来回移动时，也许会导致多次交叉。一旦太空飞行器最后超过激波，太阳风就会减弱，并且人类的制造物将第一次开始直接经受星际等离子体的影响。也许在那时星际介质的真正性质最后将被揭开。

在21世纪的某个时候，报告了外日光层，可能还有终端激波本身的物理状况后，这四个太空飞行器将继续它们到星球的旅行。先驱者10号仍会运转到新世纪开始之时（在大约70个天文单位的距离上），航行者2号有足够的消耗品可以持续到2015年（在大约130个天文单位的距离上）。但是即使在失去控制与通信联络以后，在未来的几个世纪里，这些探测器将作为四个小的人造物体循着一条早已计划好的航向通过我们的银河系。它们作为来自行星地球的首批航行者，就像被扔进深不见底的大海中的小瓶那样消失了。

【胡天其/译  郭凯声/校】