太阳系的形状是什么?球形,彗星形,羊角形,哪个正确?
但是,科学家也有一个定义太阳系边界的规则,就是日球层和日球层顶部的边界。很难描述这个边界。
我们知道,太阳在发出光和热的同时,也向太空释放了大量的高能粒子,也就是所谓的太阳风。太阳风的力量与距离成反比,离太阳太远就会成为强弩之末。
在太阳系外的太空中,也有大量来自宇宙的辐射。在离太阳一定距离的地方,太阳风和宇宙辐射会达到平衡。这是日光层顶部,它里面的日光层是太阳系。外层空间被称为星际空间。
到目前为止,已经有两个人类探测器突破了日光层的顶部,即美国国家航空航天局的旅行者1和2探测器。在距离太阳121和119天文单位时,他们花了几十年才正式进入星际空间。
如果日球顶是太阳系的边界,就很难确定太阳系的形状。毕竟只有这两个探测器测量过这个边界上两个点的位置,整个边界如此巨大,仅凭这两个点是无法确定形状的。
按照正常思维,太阳风在各个方向都是一样的。如果是这样,那么太阳系的形状应该还是球形的。而且根据两个旅行者号探测器的研究结果,日光层顶部的半径约为120天文单位(约18亿公里),厚度约为0.5天文单位。
事实并非如此。银河系到处都有宇宙辐射,我们的太阳系就像是在充满辐射的海洋中穿行。如果是这样的话,太阳系的前部会在宇宙辐射的压力下变平,后部会在没有压力的情况下被拉长,所以太阳系整体就像是鱼雷穿过海水留下的痕迹,或者说是彗星一样的形状。目前我们看到的大部分日光层形状的图片,基本上都是基于这个理论。
这个理论听起来也挺靠谱,但还是有人质疑。波斯顿大学天文学教授Merav Opher在使用美国国家航空航天局星际边界探测器(IBEX)获得的数据后,得到了不同的结果。IBEX是一颗天文卫星,可以观测地球轨道上的日光层。奥弗在分析了IBEX的数据后发现,太阳系的日光层很可能是羊角形的,形状如下——
那么,哪个形状是真实的呢?
最近,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的天文学家丹·赖森菲尔德(Dan Reisenfeld)利用IBEX卫星的数据,对日光层的形状进行了新的分析,并绘制了一幅全新的太阳系三维地图。
IBEX卫星可以探测到一种叫做高能中性原子的粒子,这种粒子可以帮助科学家了解太阳风。所谓高能中性原子是太阳风中的粒子和宇宙辐射中的粒子碰撞产生的。太阳辐射的强度是变化的,所以太阳风的能量会有波动,也会影响高能中性原子的信号强度。
研究人员指出,信号的强度和发射与接收的时间差可以帮助我们画出障碍物的形状和距离。只要我们分析信号,就能画出日光层的三维形状。某种意义上,这类似于蝙蝠通过超声波探测前方地形的原理。
赖森菲尔德描述道:“太阳风发出的‘信号’强度发生了变化,最终形成了一种特殊的形状。根据高能中性原子的能量和IBEX观测日球层的方向,2-6年后,IBEX可以从返回的高能中性原子信号中看到这个形状。这个时间差代表了我们和高能中性原子源在观测方向上的距离。”
研究团队整理了一个完整太阳周期,即2009年至2019年的第24个太阳周期的IBEX数据,以确保观测的完整性和可靠性。虽然这个结果仍然不完全准确,但它至少粗略地描述了日光层的形状。
从这次绘制的图像来看,日光层确实有点类似彗星的形状,即太阳系的一边相对较近,另一边非常远。
研究人员指出,沿着日光层鼻端的范围可以延伸到110-120天文单位的距离,这与两个旅行者探测器探测到的数据一致。
至于日光层的尾部,它的距离至少可以延伸到350个天文单位。这并不是说这里的日光层顶部只有这样的距离,而是说IBEX已经达到了探测的极限。换句话说,真实的距离可能比这还要远。
在高纬度地区,日光层顶部的范围从150到175天文单位。从这个数据来看,所谓的爪包的形状应该是错误的,而日光层的真实形状应该类似于子弹。
目前,IBEX仍在正常运行,预计这项工作最快也要到2025年才能结束。之后,星际测绘与加速度探测器(IMAP)正在开发中,它将接管IBEX进行探测,帮助人们绘制太阳系的形状。
另外,中国目前正在设计深空探测器,也就是像旅行者号一样,冲出太阳系探索星际空间是它的责任。这样的研究也可能影响中国深空探测器选择的飞行方向。届时,中国的深空探测器也将来到日球层顶部进行实地探测,这也将促进人类对太阳系形状的了解。
说起来,浩瀚宇宙中微不足道的太阳系对我们来说也是非常巨大的,还有很多未知等待我们去探索。我们已经好几天没有弄清楚球体的形状了,至于外层的奥尔特云到底是什么样子,就更让人好奇和迷惑了。