我们肉眼所能感受到的太阳的光芒大都来自于太阳的光球层
在NASA的喷气动力实验室,你也许会看到一些让人匪夷所思的场景:一些拥有美国顶尖高校学位、掌握着最前沿航天技术的科学家和工程师们,正在绞尽脑汁的维护着一台上世纪70年代出厂的老爷机器。在这个4G和WIFI已经普及的时代,他们依然在顽强地使用只有4G通信十万分之一的带宽,与这台机龄已达41年的老爷机保持着联络,并试图从老爷机传回的数据中找出一些能发表在Nature和Science上的发现。而这台老爷机之所以让科技人员们如此倾情,只因它已经飞行到了距离地球178亿公里的地方,突破了太阳风所能影响的范围,进入到了星际空间之中。在那里,它看到了人类之前从未看到的景象。
它的名字名叫旅行者2号,它的故事开始于1977年8月20日,并永远不会结束。
我们肉眼所能感受到的太阳的光芒大都来自于太阳的光球层,天文学家们一般将这里视为太阳的表面。而在太阳表面之上,磁场所贮存的能量被源源不断的转化到由带电的离子和电子组成的等离子体中,将等离子体从数千度加热到数百万度的高温。在高温的作用下,等离子体向外膨胀,裹挟着太阳磁场向遥远的太空中奔去。除了与地球等行星相遇时,会与行星发生相互作用外,在大部分空间中,这些等离子体都会无拘无束的以近乎不变的速度继续他们的旅行。由于这种现象与我们日常生活中时常能感受到的风有些类似,因此空间物理学家们给这些等离子体取了一个形象的名字,叫“太阳风”。
随着与太阳距离的增加,虽然太阳风的速度不会发生太大的变化,但太阳风的密度却会越来越低。在冥王星的轨道以外,它们的动压已不足以支撑他们克服在宇宙空间中广泛存在的星际物质的阻碍,不得不停下自己的脚步。但这和开车时司机遇到红灯便踩下刹车、平稳减速停车的过程不同,以超音速奔驰的太阳风无法将前面所遇到的阻碍信息“传递“给随后涌来的太阳风,与恒星物质的相遇更像是一次大雾天气中的”车祸“,接踵而至的太阳风等离子体不断碰撞压缩前方已经减速的等离子体,形成了一道”终止激波“。在经过终止激波之后的过渡后,太阳风等离子体最终与星际物质交会。在天文学中,将地球与太阳之间的平均距离定义为一个天文单位(1AU),1AU约为一亿五千万公里。当旅行者1号和旅行者2号穿越终止激波时,测量到终止激波与太阳的距离分别为94AU和76AU。
太阳风所能影响的空间范围,被空间物理学家们称为“日球层”,而太阳风与星际物质相会的地方,则被称为“日球层顶”。
在人类能够发射航天器之前,科学家们就已经在恒星等天体的光谱信息中,找到了星际物质的蛛丝马迹。在美国物理学家尤金·帕克教授最先提出太阳风理论时,星际物质的密度和压强观测证据是他否定静止日冕理论,并排除自己物理模型几种不合理之处的关键证据。今年8月,NASA发射了以尤金·帕克命名的帕克太阳探测器,试图通过靠近太阳进行实地探测的办法了断关于日冕加热和太阳风加速的诸多争议。而在太阳风传播的尽头,虽然科学家们通过遥感数据和计算机数值模拟,已经对终止激波、日球层顶及其间的日球层鞘,以及星际物质的性质有了一定认识,但终究也需要去那里进行实地探测,才能证实或证伪关于那里的一些假说和猜测,获得更深入的认识。
2012年8月,旅行者1号在距离太阳121AU的地方完成了穿越日球层顶的壮举,进入星际空间。而NASA在在本周宣布,在刚刚过去的11月5日,旅行者2号也成功穿过了日球层顶,并将带来比旅行者1号更让科学家们激动的探测数据。
在那里,它感受到了风的变化
在旅行者1号和2号上,均装配了用来测量太阳风粒子的等离子体谱仪(PLS),当这种谱仪测到的太阳风粒子通量密度明显的降低时,便说明旅行者号飞船不再受到太阳风吹拂,基本可以证实它们已经处在了星际空间中。
然而,旅行者1号的PLS早在1980年便已经罢工了。当旅行者1号在2012年进入星际空间时,科学家们颇费了一番周折,才在太阳的助攻下确认了旅行者1号的成功。2012年3月,太阳爆发了一次强烈的日冕物质抛射。13个月之后,这次爆发传播到了旅行者号飞船所在的位置,旅行者1号上还能工作的等离子体波动探测仪器记录下了这次爆发所带来的波动。通过波动数据,科学家们间接推测出了旅行者1号所在位置的电子密度,发现电子密度的值与星际物质的特征一致,与太阳风则相差几个量级。由此,科学家们才确定旅行者1号已经进入了星际空间。当旅行者号团队对之前的数据重新分析后,发现一些相对微弱的波动。这些波动表明,旅行者1号早在2012年8月就已经进入了星际空间。
而旅行者2号的PLS至今仍在正常工作。今年11月5日,在旅行者2号传回的太阳风数据中,出现了粒子密度的突然下降。也就是说,在180亿公里之外,旅行者2号感受到身边吹拂的太阳风突然消失了,它进入了一片全新的世界中。科学家们由此确认,旅行者2号已经穿过日球层顶,进入星际空间中。