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Nov. 12 2019

美國航太總署探測器發現──星際空間比我們所想像的還要更加怪異!

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  • 這張插畫顯示美國航太總署(NASA)航海家一號和航海家二號探測器已經位在太陽圈(heliosphere)之外。太陽圈是太陽產生的保護性氣泡,範圍遠遠延伸超過冥王星軌道。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

  • 美國航太總署探測器發現──星際空間比我們所想像的還要更加怪異!

航海家一號(Voyager 2)是有史以來第二艘穿越我們與星際空間邊界的太空船。

這張插畫顯示美國航太總署(NASA)航海家一號和航海家二號探測器已經位在太陽圈(heliosphere)之外。太陽圈是太陽產生的保護性氣泡,範圍遠遠延伸超過冥王星軌道。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

美國航太總署的航海家二號在離家數十億公里的暗黑太空之中,為太空探索立下了里程碑,在2018年11月,成為有史以來第二艘進入星際空間的太空船。值此周年之際,科學家發表了當時航海家二號穿越邊界時所觀測到的情況,這讓人類對太陽系的某些重大奧秘有了嶄新的理解。

五篇刊登在11月7日出版的《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊的文章,發表了這些最新發現,這是首度有太空船直接對充斥星際空間和太陽系最遠範圍的帶電霧霾──或電漿──進行採樣。這也是航海家二號太空船的另一次「第一」,它在1977年發射升空後首度(也是唯一一次)飛越冰質巨行星天王星和海王星。

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航海家一號在2012年完成了同樣的壯舉,而航海家2號追隨著他的兄弟衝向星際空間。這兩艘太空船收集到的數據有許多共同特徵,像是它們在星際空間所遭遇到的粒子總密度。但有趣的是,這對雙胞胎太空船在離開太陽系時也看到了一些關鍵差異,讓我們對太陽在銀河系中的運動又有了新的疑惑。

加州理工學院(California Institute of Technology)的航海家號計畫科學家──物理學家埃德.史東(Ed Stone)在新聞發布會上這麼說:「這確實是一趟美妙的旅程。」

「人類能夠探索星際空間真是令人興奮,」未參與這項研究的普林斯頓大學(Princeton University)博士後研究員──物理學家傑米.蘭金(Jamie Rankin)補充說道,「自航海家一號穿越太陽系邊界以來,我們就成為星際旅行者了。但現在航海家二號的穿越令人更加興奮,因為我們現在可以比較星際介質中兩個非常不同的位置。」

美國航太總署探測器發現──星際空間比我們所想像的還要更加怪異!

泡泡內部

要了解航海家二號的最新發現,我們得先了解太陽並不是顆安靜燃燒的光球。我們的恆星是座翻騰不已的核熔爐,以每小時約72萬4000公里的速度在銀河系中飛馳,繞著銀河系中心繞行。

太陽還會因為扭曲的辮狀磁場而分裂,因此表面不斷散發出稱為太陽風(solar wind)的微弱帶電粒子流。一陣陣的太陽風伴隨著太陽磁場,向四面八方高速奔馳,最後太陽風會撞上星際介質──遠古恆星爆炸產生的碎片四散在恆星之間的太空。

就像是油和水一樣,太陽風和星際介質不會完美地混合在一起,因此太陽風在星際介質中形成了一個稱作「太陽圈」的泡泡。根據航海家號的數據,這個氣泡的前緣從太陽向外延伸約177億公里,包覆住太陽、八顆行星以及繞著這顆恆星運行的許多外圍天體。太陽圈相當重要,能夠保護屏蔽其中的所有物體,包括讓我們脆弱的DNA不受大多數來自銀河系最高能量輻射的危害。

太陽圈最外層的邊緣稱為「日球層頂」(heliopause),這裡代表著星際空間的起始之處。理解這個邊界,對我們了解太陽穿越銀河系的旅程來說相當具有啟發性,這反過來又可以告訴我們更多有關散布在宇宙中其他恆星的情況。

「我們試圖了解邊界的性質,這兩種風在這裡碰撞並混合在一起,」史東在簡報中表示,「它們如何混合,有多少物質從氣泡的內部流到外部,又有多少物質從氣泡的外部流到內部呢?」

科學家是在2012年8月25日航海家一號首度進入星際空間時,才首度得以一窺日球層頂。起初的觀測結果讓他們傷透腦筋。像是研究人員現在知道星際磁場比預期強了大約二至三倍,這表示星際粒子在太陽圈上施加的壓力比先前認為的還要大上十倍。

美國航太總署總部的計畫科學家──物理學家派崔克.科恩(Patrick Koehn)說:「這是我們首度能夠真正體驗星際介質的平台,因此這艘太空船是個名符其實的開創先鋒。」

滲漏的邊界

儘管航海家一號顛覆了科學家的預期,但它所帶來的啟示仍不夠完備。航海家一號用來測量電漿溫度的儀器早在1980年就已經停止運作。不過航海家二號的電漿儀器仍能正常運作,因此當它在2018年11月5日越過日球層頂時,科學家可以對這個邊界有更清楚的認識。

這讓研究人員首度觀測到,當物體抵達距日球層頂不到2.3億公里時,它周圍的電漿速度會變得更慢、溫度上升且更為稠密。在邊界的另一側,星際介質的溫度至少有攝氏3萬度,這比預期的溫度還要更高。但此處的電漿非常稀薄且彌散,因此航海家號探測器周圍的平均溫度仍然相當低。

↑↑↑↑↑來看看兩艘艘航海家探測器前往外太陽系的旅程

此外,航海家二號證實了日球層頂是個滲漏的邊界──而且兩個方向都會滲漏。在航海家一號穿過日球層頂之前,它迅速穿越了星際粒子往日球層頂擠壓形成的卷鬚──就像是樹根向內穿入岩石那樣。但是航海家二號看到了低能量粒子的細流,往日球層頂向外延伸達數億公里之遠。

當航海家一號進入日球層頂13億公里之內時,另一個謎團出現了,它進入了一個像是邊境的區域,在那裡向外的太陽風逐漸減速。在穿越日球層頂之前,航海家二號觀測到太陽風形成了一種完全不同的層次,奇怪的是這層的寬度幾乎與航海家一號所見的停滯層相同。

「那非常、非常奇怪,」科恩說,「這的確告訴我們,還需要更多的數據。」

星際續集?

想要解決這些難題,得對整個太陽圈有更深入的認識。航海家一號在靠近太陽圈的前緣處離開,與星際介質發生碰撞;而航海家二號則沿著太陽圈的左側離開。我們沒有太陽圈尾流的數據,因此太陽圈的整體形狀仍然成謎。星際介質的壓力可能會使太陽圈大致保持球形,但也可能有像彗星一樣的尾巴,或者是像牛角麵包一樣的形狀。

但是,儘管其他太空船目前正在向外飛行,但未來它們無法從日球層頂將數據送回地球。美國航太總署的新視野號(New Horizons)太空船正在以超過每小時5萬公里的速度向外離開太陽系,並且會在2030年代耗盡電力,將在距太陽圈外緣不到16億公里的地方陷入沉寂。這就是航海家號計畫的科學家和其他人呼籲進行後續星際探測的原因。目標是為期50年的多世代任務,在前往太陽風以外的未探索區域時,也能探測太陽系的外圍區域。

「這裡是整個泡泡,我們只從其中的兩點穿越,約翰.霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory)太空系的榮譽系主任斯塔瑪提奧.克里明吉斯(Stamatios Krimigis)在簡報中說表示,「兩個觀測點是不夠的。」

新一代的科學家也渴望握著接力棒向前奔跑,其中包括在加州理工學院獲得博士學位的蘭金,她的論文是有關航海家一號的星際數據,史東則是她的指導教授。

「處理在我出生前發射太空船的最新數據真是太神奇了,」她說:「我真的很感謝所有在航海家號上花費了這麼多時間的人。」

 

延伸閱讀:可能活上數十億年的兩艘航海家號,離開太陽系後將去哪? / 星際彗星」即將成為天文界注目焦點!

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