NASA的IBEX记录了11年来星际空间边界的变化

在行星轨道的远处，是日球层的朦胧轮廓，即我们称之为家园的太空磁泡。这个灵活的宇宙气泡会随着太阳的喘息和叹息而伸缩。

现在，由普林斯顿大学的David McComas领导的一组科学家第一次从NASA的IBEX航天器中收集了整个太阳周期的数据，他们用这些数据来研究日球层是如何随时间变化的。太阳活动周期大约为11年，太阳活动频繁，时而活跃，时而不活跃。科学家们渴望利用IBEX 11年的记录来观察日球层边缘的变化。结果显示了日球层的形状——这是近年来争论的话题——并暗示了其最令人困惑的特征背后的过程。这些发现，连同最新的微调数据集，都发表在6月10日的《天体物理学杂志增刊》上。

“这是一个非常小的任务，”McComas说，他是这次任务的主要调查员和天体物理科学教授。IBEX是星际边界探索者(Interstellar Boundary Explorer)的缩写，有一个公共汽车轮胎那么大。“它取得了巨大的成功，持续时间比任何人预期的都要长。幸运的是，我们现在有一个完整的太阳观测周期。”

绘制太阳系边缘，一次一个粒子

日球层的气泡中充满了太阳风，太阳风是来自太阳的带电粒子流。太阳风以每小时100万英里的速度向四面八方冲去，直到它与星际介质相撞，这种星际介质来自填满它们之间空间的其他恒星。

当太阳穿过星际介质时，它会产生一种像船首波一样的热而稠密的波。我们的日球层的宇宙环境被称为局部绒毛，一团超热气体。太阳风与当地绒毛相遇的地方是日光层的边缘，称为日光层顶。就在它的内部有一个被称为日鞘的动荡区域。

一位艺术家画了这幅日球层的插图，它是围绕着太阳和太阳系的宇宙气泡。当日球层在星际空间中穿梭时，会形成一种弓形激波，类似于轮船在海洋中行驶时产生的弓形波。我们的日球层的宇宙环境(最左边)被天文学家称为局部绒毛，一团超热的气体。太阳风与当地绒毛相遇的地方是日光层的边缘，称为日光层顶。就在它的内部有一个被称为日鞘的动荡区域。这幅图中还展示了两艘航行者号宇宙飞船，它们在离开日球层的大致路径。1980年，旅行者I号在经过土星时，偏离了行星轨道的平面。旅行者2号由于海王星的影响而向下偏转，并在行星平面以下向南行驶。

Artist’s concept of our heliosphere by Walt Feimer of NASA/Goddard.

IBEX聚焦于被称为高能中性原子的微小粒子，这些粒子是在太阳风等热带电粒子与星际空间流入的冷中性粒子碰撞时产生的。活泼的太阳风粒子可以从笨重的星际原子中夺取电子，使自己变成中性。

太阳风经过行星、小行星带和柯伊伯带，到达日球层边缘大约需要一年的时间——这段距离是太阳和地球距离的100倍。在这个过程中，太阳风吸收了星际气体的电离原子，这些原子蜿蜒进入了日光层。到达边缘的太阳风与一年前离开太阳的风不同。

太阳风粒子可能还要花六个月的时间在日鞘的混乱中漫游，日鞘是日球层两个外部边界之间的鸿沟。不可避免地，一些粒子会与星际气体发生碰撞，成为高能的中性粒子。中性粒子从日球层的边缘穿越空间返回IBEX需要将近一年的时间，而且只有当这些粒子恰好朝着正确的方向飞行时才会这样。在所有形成的中性粒子中，只有少数能到达IBEX。对于IBEX观测范围内能量最高的粒子，整个旅程需要2 – 3年，而对于能量较低或较远的区域，则需要更长的时间。

IBEX利用了这样的中性原子不会被太阳磁场改变方向的事实:新鲜的中性粒子会以近乎直线的方式避免碰撞。

IBEX探测天空中的粒子，记录它们的方向和能量。航天器每隔一秒才探测到一个。其结果是一份慢慢建立起来的星际边界地图，其制作原理与蝙蝠在夜间用回声定位的方法相同:通过监测传入的信号来稳定地了解周围环境。通过研究中性粒子的来源和时间，IBEX可以追踪我们日球层的遥远边界。

“我们很幸运观察这在日球层,“说Justyna Sokoł,他是那霸Bekker计划2019年至2020年普林斯顿大学访问学者。

利用IBEX 11年多的数据，McComas和他的团队观测到了不断变化的太阳风。他们发现，当一阵风袭来时，日球层会像气球一样膨胀，中性粒子会在外层边缘涌动。风平浪静时，气球收缩;中性粒子缩小。科学家们报告说，随后产生的中性粒子的跷跷板，在风向变化后的两到三年一直在重复——反射了它们到太阳系边缘和回来的旅程。

“这些效应花了很多年才到达日球层的边缘，”IBEX团队成员、天体物理学助理研究学者杰米·萨雷(Jamey Szalay)说。“对我们来说，从IBEX获得的这些数据最终使我们能够得出这些长期相关性。”

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形成了日光层

2009年至2014年，风力较低且稳定，为微风。合同规定的日球层。接着，太阳风突然吹起了一个大浪，好像太阳发出了一声长叹。2014年末，美国宇航局的绕地航天器探测到太阳风压力增加了大约50%，并且从那以后一直保持在高位。

两年后，滚滚的太阳风在日鞘中形成了一股中性粒子的旋风。又过了两年，它们填满了日球层的大部分鼻翼，然后在日球层的南北极上空达到顶峰。

这些变化并不对称。每个观测到的撞击都反映了日球层形状的变化。科学家们惊讶地发现，太阳风的弓形波将太阳风顶推得如此清晰。

“时间和中性粒子为我们描绘了日球层形状的距离，”麦克马斯说，他也是普林斯顿大学等离子物理实验室的副主任。

IBEX还没有观察到这种来自日球层后端的宇宙叹息的影响。这表明，彗尾比彗尾离太阳远得多——这些粒子的旅程要长得多。也许太阳风浪潮仍在朝着彗尾疾驰，或者可能中性粒子已经在返回途中。在接下来的几年里，IBEX团队将会关注他们。

“大自然为我们提供了这个完美的实验，让我们更好地理解这个界限，”Szalay说。“我们要看看当太阳风的推动改变时会发生什么。”

近年来，日球层的形状一直是科学家们争论不休的问题。有些人认为太空中的气泡是球形的;其他人则认为它更接近羊角面包。但是在这项研究中，McComas说，IBEX的数据清楚地显示了日球层对太阳风推动的反应是不对称的——所以日球层本身也一定是不对称的，形状类似于彗星。太阳的位置靠近前方，当它在太空中疾驰时，直升机就会明显地落在后面。

解决IBEX最大的难题

IBEX多年的数据也让科学家们更接近于解释日球层的一个更令人困惑的特征，即IBEX带——IBEX最大的发现之一。2009年宣布，它指的是画在日球层正面的一条巨大的、呈对角线的高能中性星带。长期以来，科学家们一直困惑不解:为什么边界的任何一部分与其他部分如此不同?

随着时间的推移，IBEX已经指出，这条带子的形成与星际天空的其余部分是非常不同的。它是由星际磁场的方向决定的。但是带状粒子是如何产生的呢?现在，科学家们报告说，这很可能是一个次要的过程造成的，它导致了一组高能中性粒子的行程增加了大约一倍。

故事是这样的:这组粒子在成为高能中性粒子后，没有弹回IBEX，而是沿着相反的方向划过太阳风顶，进入星际空间。在那里，它们尝到了当地绒毛的味道，巡航着，直到一些不可避免地与经过的带电粒子碰撞，再次失去一个电子，并与周围的磁场结合。又过了两年左右，带电粒子再次与速度较慢的粒子碰撞，像以前那样偷取电子。经过这次短暂的移出日光层之后，两次产生的高能中性粒子最终重新进入大气层，并快速返回地球。

扩展的IBEX数据帮助科学家将色带与粒子的星际旅行连接起来。形成色带的粒子比观察到的其他中性粒子多走了大约两年。当它到达太阳风峰值时，色带比其余的日球层晚了两年才开始响应。

IBEX的最初两年任务已经远远超过了它的最初任务，很快，NASA的另一个任务IMAP也将加入进来。IMAP是星际测绘和加速探测器的简称，McComas也将担任该任务的首席研究员。该任务计划在2024年底发射。

“IMAP提供了一个完美的研究机会，它具有很高的分辨率和灵敏度，IBEX已经开始向我们展示，因此我们将真正对那里的物理有一个详细的了解，”McComas说。