在太陽(yáng)系深處，太陽(yáng)遠(yuǎn)沒(méi)有那么耀眼，無(wú)盡的黑暗幾乎吞噬一切。但就在這黑暗的背后，卻出現(xiàn)了一場(chǎng)關(guān)乎地球上數(shù)十億年生命生存的“奪權(quán)之戰(zhàn)”。這是太陽(yáng)系的邊界——太陽(yáng)系最后的高地。

太陽(yáng)系的邊界在哪里？

這不是想象中那么容易回答的問(wèn)題。

有些東西有明確的界限，比如一張桌子或者一個(gè)足球場(chǎng)，而有些東西就沒(méi)那么明顯了，比如城市或者城鎮(zhèn)。很難說(shuō)它們會(huì)在哪里結(jié)束。太陽(yáng)系的邊界更類似于后者。你可能會(huì)認(rèn)為太陽(yáng)系的邊界實(shí)際上是太陽(yáng)的作用所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離。那么太陽(yáng)到底是什么意思呢？是太陽(yáng)發(fā)出的光嗎？還是太陽(yáng)引力還是太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)？

陽(yáng)光能夠“照亮”的范圍，并不能告訴我們太陽(yáng)系的邊界在哪里。因?yàn)殡S著與太陽(yáng)距離的增加，太陽(yáng)會(huì)越來(lái)越暗，但這種變化是連續(xù)的，“平滑”的，沒(méi)有太陽(yáng)會(huì)突然停止或突然減弱的地方。太陽(yáng)引力呢？就像光一樣，隨著距離的增加，太陽(yáng)的引力會(huì)減小，但沒(méi)有明確的邊界。事實(shí)上，天文學(xué)家仍然在冥王星軌道之外發(fā)現(xiàn)天體。

然而，太陽(yáng)風(fēng)與陽(yáng)光和重力有很大的不同。當(dāng)它從太陽(yáng)表面“吹出”時(shí)，它將向恒星之間的空間(星際空)前進(jìn)。一般星際空間空被認(rèn)為是“空”，但實(shí)際上含有微量的氣體和塵埃。太陽(yáng)風(fēng)將“吹動(dòng)”這些物質(zhì)，并清除其中的一個(gè)氣泡狀區(qū)域。這個(gè)圍繞太陽(yáng)和太陽(yáng)系的“氣泡”被稱為“日光層”。雖然形狀類似肥皂泡，但物理上更像是你在寒冷空空氣中呼出的一團(tuán)白霧氣體?？茖W(xué)家認(rèn)為，日光層最內(nèi)層到太陽(yáng)的距離是太陽(yáng)到地球距離(定義為“天文單位”)的90倍，即90個(gè)天文單位，幾乎是冥王星的2.5倍。這是太陽(yáng)系的邊界。

太陽(yáng)系及其邊界宏觀概念圖。版權(quán)所有:美國(guó)國(guó)家航空航天局/JPL。

對(duì)太陽(yáng)系邊界的進(jìn)一步觀察

太陽(yáng)系的邊界之外是廣闊的星際空間空。星際空不完全成立空，還有星際介質(zhì)。星際介質(zhì)大部分由氫和氦組成，剩下的是碳等較重的元素。而整個(gè)星際介質(zhì)大約有1%是塵埃的形式。雖然星際介質(zhì)是不均勻的，密度有高有低，即使在密度最高的地方，密度也只有地球大氣層的一百萬(wàn)億倍。

星際介質(zhì)這么薄是真的，但還是有壓力的。太陽(yáng)“吹”來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)也是如此。在太陽(yáng)附近，太陽(yáng)風(fēng)的推力很大，很容易吹走太陽(yáng)周圍的星際介質(zhì)。但遠(yuǎn)離太陽(yáng)，星際介質(zhì)最終會(huì)勝出，使太陽(yáng)風(fēng)變慢，最終停止。太陽(yáng)風(fēng)減速并開(kāi)始與星際介質(zhì)相互作用的地方稱為“太陽(yáng)風(fēng)鞘”，它包括末端沖擊波(太陽(yáng)系邊界最內(nèi)層)、太陽(yáng)風(fēng)層頂(太陽(yáng)系邊界最外層)以及它們之間的三個(gè)部分。

信不信？你的廚房也有類似的現(xiàn)象，只是一個(gè)是平面的，一個(gè)是立體的。當(dāng)水龍頭流出的水打在水槽底部時(shí)，水會(huì)以更高的速度向外擴(kuò)散，形成由水組成的“圓盤”，就像終端沖擊波中的太陽(yáng)風(fēng)。在圓盤的邊界周圍會(huì)形成一個(gè)水墻(對(duì)應(yīng)于激波陣面)，在它外面水流的速度會(huì)減小，類似于末端激波外面的情況。

在物理上，末端沖擊波對(duì)應(yīng)的是太陽(yáng)風(fēng)速度降低到小于當(dāng)?shù)芈曀俚牡胤剑@種減速會(huì)導(dǎo)致很多重要的變化。太陽(yáng)風(fēng)是由等離子體組成的，它在減速時(shí)壓縮在一起，就像一群人同時(shí)涌入一個(gè)小房間。被擠壓后，等離子體的溫度會(huì)大大升高。同樣，太陽(yáng)風(fēng)中夾帶的太陽(yáng)磁場(chǎng)也會(huì)在末激波處加強(qiáng)。到目前為止，終端沖擊波只被直接探測(cè)到兩次。旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)分別在2004年和2007年穿越了終端沖擊波，兩者之間的距離分別為94和84天文單位，足足相差10個(gè)天文單位。這種不對(duì)稱表明，由于某種未知的原因，太陽(yáng)系向一側(cè)傾斜，將另一側(cè)暴露在星際空間空。

太陽(yáng)風(fēng)層的頂部是太陽(yáng)風(fēng)與星際介質(zhì)的邊界，此時(shí)太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)度已經(jīng)不足以抵抗星際介質(zhì)的壓力，所以太陽(yáng)風(fēng)層的頂部，也就是日光層的外邊界，往往被認(rèn)為是整個(gè)太陽(yáng)系的外邊界。由于太陽(yáng)在星際介質(zhì)中不是靜止的，其運(yùn)動(dòng)速度比聲速快，所以在日光層前方會(huì)形成弓形沖擊波，與超音速飛機(jī)前方出現(xiàn)的沖擊波非常相似。

正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，太陽(yáng)系的邊界將我們和整個(gè)太陽(yáng)系與外部星際介質(zhì)乃至銀河系環(huán)境隔開(kāi)，也成為抵御外部物質(zhì)入侵的主戰(zhàn)場(chǎng)。

屏蔽宇宙射線的大傘

如果太陽(yáng)系沒(méi)有邊界，或者說(shuō)它的邊界位于地球的軌道上，那么進(jìn)入太陽(yáng)系的宇宙射線數(shù)量至少會(huì)增加到現(xiàn)在的四倍。宇宙射線通常是恒星爆炸產(chǎn)生的高能粒子，包括電子、質(zhì)子和其他原子核。雖然地球磁層可以保護(hù)我們免受太陽(yáng)系外的一些宇宙射線的傷害，但是宇宙射線數(shù)量的迅速增加將會(huì)大大增加能夠穿透地球磁層到達(dá)地球表面的高能宇宙射線的數(shù)量。這將直接導(dǎo)致地球臭氧層的破壞，也會(huì)造成DNA的破壞和變異。

[圖片說(shuō)明]:高能宇宙射線進(jìn)入太陽(yáng)系后能量高于100 mev的比例。在弓激波外是100%，通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)層頂后略有減少。在距離太陽(yáng)約100個(gè)天文單位處，太陽(yáng)風(fēng)層頂部與末端沖擊波之間，高能宇宙射線數(shù)量急劇下降50%以上。最終能進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系的不到25%。版權(quán)所有:SRI。

宇宙射線對(duì)DNA的破壞非常嚴(yán)重。如果細(xì)胞不能修復(fù)受損的DNA，就會(huì)死亡。如果這種損傷被復(fù)制到更多的細(xì)胞中，就會(huì)引起突變。暴露在大劑量的宇宙射線下會(huì)增加患癌癥、白內(nèi)障和神經(jīng)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期或短期高強(qiáng)度暴露于宇宙射線也會(huì)影響地球上生命的進(jìn)化。

因此，從另一個(gè)角度來(lái)看，對(duì)日光層的研究將有助于我們?yōu)榻窈笤诳罩g的旅行做好充分準(zhǔn)備。在這個(gè)研究領(lǐng)域，有一個(gè)探測(cè)器是IBEX不能忽視的，那就是NASA的星際邊界探測(cè)器。

坐在地上看著太陽(yáng)球

2008年10月19日，搭載在L-1011飛機(jī)下的飛馬火箭將IBEX送入軌道。IBEX的軌道位于地球和月球之間的5/6處，因此其高軌道可以避免地球磁層對(duì)其大部分時(shí)間觀測(cè)的干擾。但即便如此，離太陽(yáng)系的邊界還是很遠(yuǎn)。不過(guò)沒(méi)關(guān)系，IBEX有自己的招數(shù)。

軌道上的IBEX意境。版權(quán)所有:沃爾特·費(fèi)默/GSFC/美國(guó)國(guó)家航空航天局。

IBEX是一款小型探測(cè)器，大概有公交車輪胎大小。它裝有一個(gè)“望遠(yuǎn)鏡”，用于觀察太陽(yáng)系的邊界。與接收光線的普通望遠(yuǎn)鏡不同，這些望遠(yuǎn)鏡用于收集高能中性原子(ENA)。顧名思義，ENA實(shí)際上是一個(gè)快速移動(dòng)的電中性粒子。ENA的前身通常是帶電離子。當(dāng)這些離子與中性原子相互作用時(shí)，前者會(huì)從后者那里“竊取”電子，變成電中性。由于這些粒子不再帶電，它們的軌跡將不再受到磁場(chǎng)的影響，因此它們將從相互作用發(fā)生的地方沿直線向外移動(dòng)。

這種相互作用稱為“電荷交換”。太陽(yáng)風(fēng)中的離子與星際介質(zhì)中的中性原子相互作用時(shí)，發(fā)生電荷交換。在整個(gè)過(guò)程中，大量的粒子會(huì)相互作用，產(chǎn)生的ENA也會(huì)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。一些ENAs只會(huì)向IBEX移動(dòng)并被檢測(cè)到。IBEX上的傳感器可以檢測(cè)每小時(shí)一次到每分鐘幾次的ENA流量。這些來(lái)自冥王星軌道之外的粒子只需要一個(gè)月到11年就可以完成整個(gè)旅程。

隨著IBEX的旋轉(zhuǎn)，IBEX上的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡將從天空中不同的方向收集ENA。在這個(gè)過(guò)程中，傳感器將測(cè)量它們來(lái)自的方向、到達(dá)時(shí)間、粒子的質(zhì)量和能量。這使得科學(xué)家能夠繪制一張全天的ENA分布圖，而之前的兩個(gè)旅行者探測(cè)器只能探測(cè)星際邊界上的一個(gè)局部區(qū)域。但是IBEX的初步結(jié)果卻遠(yuǎn)超大家的預(yù)期。

IBEX探測(cè)到的高能中性原子通量的全天分布清楚地顯示了中間的蛇形帶。版權(quán)所有:SRI。

這種全天探測(cè)能力使IBEX能夠發(fā)現(xiàn)一種以前未知的驚人結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)旅行者探測(cè)器之間有一條蜿蜒的ENA聚集帶。對(duì)這一聚集帶的詳細(xì)研究表明，在太陽(yáng)系邊界的一些局部區(qū)域，離子密度大大增加?？茖W(xué)家最初預(yù)計(jì)這一變化約為10%，但實(shí)際測(cè)量結(jié)果是200-300%。目前我們還不知道如何解釋這種現(xiàn)象，說(shuō)明我們對(duì)太陽(yáng)系邊界的原始認(rèn)識(shí)還不夠。

50多年來(lái)，人類的觸角幾乎覆蓋了太陽(yáng)系的每一個(gè)角落，但只有它的邊界遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有清晰地進(jìn)入我們的視線。那里還藏著什么？也許只有時(shí)間和對(duì)未知的追求才能回答。