當太陽風突然開始猛烈地吹時，會發生什麼？

當太陽風突然開始猛烈地吹時，會發生什麼?

當太陽風突然開始猛烈地吹時，會發生什麼?根據最近的兩項研究，我們整個太陽系的邊界向外膨脹，對從邊緣反彈的粒子的分析將揭示它的新形狀。

2014年末，美國宇航局的航天器探測到太陽風發生了重大變化。近十年來，太陽風壓力——測量速度和密度的綜合方法——首次增加了大約50%，此後數年一直保持這種狀態。兩年後，星際邊界探測器(IBEX)探測到了善後的第一個跡象。2014年上升的太陽風粒子到達了日球層的邊緣，中和了自身，並一直飛回了地球。他們有一個故事要講。

在最近的兩篇文章中，科學家們利用IBEX的數據和複雜的數值模型，來理解這些反彈的原子可以告訴我們，我們的日光層是由太陽風形成的巨大氣泡。

「結果顯示，2014年太陽風壓力的增加已經從太陽傳播到外日圈，在最近的方向上改變和擴大了我們的日圈邊界，」David McComas說，他是新澤西州普林斯頓大學IBEX項目的首席研究員。「在未來幾年裡，IBEX的數據將會讓我們繪製出太陽圈外邊界其他部分的擴展和演化結構。」

從太陽到太陽系的邊緣——回到故事的核心——是高能的中性原子——在太陽系的邊緣產生的高能粒子。

當太陽風以超音速從太陽流出時，它就會吹起一個被稱為日光層的氣泡。日光層包圍著我們太陽系中的所有行星，以及太陽系之外的大部分空間，將我們的太陽和星際空間分隔開來。

但是太陽風的太陽之旅並不是一帆風順的。在到達我們的日光層的邊緣，也就是所謂的日光層頂的途中，太陽風穿過不同的層。第一個被稱為終端衝擊。

在通過終止衝擊之前，太陽風迅速膨脹，基本上不受外界物質的阻礙。

但是在離我們93億英里遠的終端衝擊下，太陽風突然減弱了。在這之後，它繼續向外移動，但它更熱，」普林斯頓大學的一篇論文的第一作者埃里克·澤恩斯坦(Eric Zirnstein)說。

一旦結束激波，太陽風粒子進入一個特殊的地獄地帶，被稱為日鞘。雖然終結激波本質上是球形的，但人們認為，日圈的邊緣更多地描述了太陽在空間中運動時圍繞太陽的弧線——它更接近太陽的前方，並延伸到太陽的後面，就像一顆帶著尾巴的彗星。沿著這些邊界，太陽風粒子與來自星際空間的粒子混合。碰撞是不可避免的:熱的、帶電的太陽風粒子從星際空間撞向速度較慢的、較冷的中性原子，偷走一個電子，自己變成中性。

「從那裡，他們在太空中進行彈道飛行，有些人會一直飛回地球，」Zirnstein說。「這些是伊貝克斯觀察到的能量中性原子。」

2016年末，當IBEX的高能中性原子成像儀開始接收到異常強烈的信號時，McComas教授和他的團隊開始調查其原因。他們的發現發表在2018年3月20日的《天體物理學雜誌快報》上。

高能中性原子來自於離星際逆風方向30度的南方，那裡的太陽鞘被認為是離地球最近的。

為了量化它與2014年太陽風壓力增加的聯繫，McComas和他的團隊進行了數值模擬，計算出這種壓力增加會如何影響IBEX觀察到的高能中性原子。

亨茨維爾阿拉巴馬大學這兩篇論文的合著者Jacob Heerikhuisen說:「這些類型的模擬涉及一個物理模型，然後把它轉化成方程，然後用一台超級計算機來求解。」

利用計算機模型，研究小組模擬了整個日光層，用太陽風壓力的增加震動了它，並讓它運行數字。模擬完成了一個只有數據暗示的故事。

根據模擬，太陽風一旦擊中終端激波，就會產生一個壓力波。這種壓力波繼續延伸到日球層的邊緣，並部分向後反彈，迫使粒子在它剛剛經過的(現在更密集的)日鞘環境中發生碰撞。這就是IBEX觀察到的高能中性原子誕生的地方。

這些模擬提供了一個令人信服的例子:IBEX確實在觀察2014年太陽風壓力上升的結果，而這一結果是在兩年多之後。

但是模擬並沒有到此為止。它還揭示了2014年太陽風壓力的增加，隨著時間的推移，將繼續吹大日圈甚至更遠。在太陽風壓力增加3年後——在文章發表的時候——終止震動，即日光層內的內部氣泡，應該膨脹7個天文單位，或7倍於地球到太陽的距離。太陽頂，也就是外部的氣泡，應該會膨脹兩個天文單位，第二年再增加兩個天文單位。

簡而言之，通過加大太陽風的壓力，我們今天的日光層比幾年前要大。

日球層的新形狀

McComas和他的同事研究了2014年太陽風壓力上升的最初跡象。但觀察未來數年的數據可能會告訴我們更多——這一次是關於我們日冕形狀的演變。

「有很多研究，有些是很久以前的，預測日圈的形狀，」這篇論文的第一作者Zirnstein報告說。「但模特界的爭論還在繼續。」我們希望2014年太陽風壓力的增加能對此有所幫助。

使用與前一篇論文相同的數據和模擬，Zirnstein和他的同事們將時鐘向前推進，在2014年太陽風壓力上升8年後，對日圈進行了建模。結果不僅描述了過去，而且也描述了未來。這篇論文發表在2018年5月30日的《天體物理學雜誌》上。

「我們認為我們應該在不久的將來看到的是一個圓環，在天空中膨脹，標誌著能量中性原子通量隨時間的變化，」Zirnstein說。「這個環從外日圈的初始接觸點向日軌道的方向擴展。」

儘管2016年IBEX檢測到的初始信號是一個實心圓，但它不會一直這樣。隨著2014年太陽風到達日頂越來越遠的點，它們需要更長的時間才能反彈回來，就像遠處牆壁上的迴音。日光層的圓形使這個回波以環形的形式反射回來。

但關鍵的發現來自觀察這枚戒指膨脹的過程。

在他們的模擬中，Zirnstein和同事們發現，圓環膨脹的精確速度部分取決於日球層不同層之間的距離:終端激波、日頂和產生高能中微子的日鞘部分。澤恩斯坦意識到他找到了一種新的方法來測量日光層的大小和形狀。

「我們可以通過觀察這個在天空中隨時間變化的環來估計到日圈不同邊界的距離，」Zirnstein說。

Zirnstein和他的同事們利用他們模擬的日光層進行了一項試驗研究。通過測量圓環的膨脹速率(並將其代入正確的方程式中)，他們可以精確地再現模擬日球層中關鍵結構的距離。因為他們知道模擬的距離是多少，所以他們可以檢查他們的工作——證實這項技術得到了正確的答案，並且當應用到真正的日光層時應該是準確的。

圓環上的畸形——偏離一個完美的圓形——也可能揭示出日光層整體形狀的不對稱性。「這取決於日光層的對稱性或非對稱性，」Zirnstein補充道。「如果日光層是理想的『彗星形狀』，那麼隨著時間的推移，土星環應該會對稱擴張。」但實際上，這可能不會發生——我們得等著看IBEX告訴我們什麼。

Zirnstein表示，他對能夠了解太陽圈的真實形狀感到興奮。

「在接下來的幾年裡，有了更多的IBEX數據，我希望我們能夠構建出一幅關於日光層形狀的3D圖像，」Zirnstein說。

這兩項研究的結果具有重要的現實意義。McComas說:「用高能中性原子觀測來連接太陽的變化將有助於我們理解太空輻射環境的危險條件的長期變化——這是一種太空氣候，而不是太空天氣。」「隨著太陽風越來越猛烈地吹著，我們的太陽氣泡不斷膨脹和收縮，這直接影響了宇宙射線進入日球層的數量，有可能危及長期太空飛行的宇航員。」

但研究結果也強調了我們最近的恆星的不可思議的力量。太陽的變化，包括太陽風，會產生重大的影響，把數十億英里的距離延伸到太空，到目前為止，只有兩艘旅行者號宇宙飛船曾在太空中冒險過。利用像高能中性原子成像這樣的技術，我們不能僅僅描繪，而是精確地測量太陽圈的這些遙遠的部分——我們在銀河系的家。

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