普林斯顿大学 日光层——包裹着我们的太阳和太阳系所有行星的宇宙气泡——标志着从太阳流出的粒子(统称为太阳风)与星际介质碰撞的边界
11年多来——一个完整的太阳周期，从高黑子活动到低黑子活动再到低黑子活动——大卫·麦科马斯和他的团队一直在研究来自星际边界探测器IBEX的数据，以研究日光层的形状和特征
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心 远远超出行星轨道的是日光层的模糊轮廓，我们称之为家的太空磁泡
这种灵活的宇宙气泡随着太阳的喘息和叹息而伸缩
现在，由普林斯顿大学的大卫·麦科马斯领导的一组科学家首次从美国国家航空航天局的IBEX航天器上收集了整个太阳周期的数据，他们用这些数据来研究日光层是如何随时间变化的
太阳周期持续大约11年，太阳从高活动季节到低活动季节来回摆动
科学家们渴望利用IBEX的11年记录来观察日光层边缘的变化
结果显示了日光层的形状——这是近年来争论的一个问题——并暗示了其最令人困惑的特征背后的过程
这些发现，连同新微调的数据集，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，”该任务的首席研究员、天体物理学教授麦科马斯说
IBEX，星际边界探索者的简称，有公共汽车轮胎那么大
“它非常成功，持续时间比任何人预期的都长
我们现在很幸运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 日光层的气泡充满了太阳风，太阳风是来自太阳的带电粒子的持续流动
太阳风以每小时100万英里的速度向四面八方冲出，直到它与星际介质相撞，这些星际介质是来自其他恒星的风，充满了它们之间的空间
当太阳在星际介质中穿行时，它会产生一种热而密集的波，就像船的船头波一样
我们日光层的宇宙环境被称为“局部绒毛”，一种超高温气体云
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
就在那里面有一个叫做日鞘的湍流区域
IBEX专注于被称为高能中性原子的微小粒子，这些粒子是由热的带电粒子(如太阳风中的粒子)与冷的中性粒子(如从星际空间流入的粒子)碰撞而产生的
活泼的太阳风粒子可以从笨重的星际原子中攫取电子，自身变成中性
大约需要一年的时间，一阵太阳风穿过行星，穿过小行星带和柯伊伯带，到达日光层的边缘——这是太阳和地球之间距离的100倍
一路上，太阳风带走了蠕动进入日光层的星际气体的电离原子
到达边缘的太阳风与一年前离开太阳的风不同
太阳风粒子可能会再花六个月的时间在日光层的混乱中游荡，日光层是日光层两个外部边界之间的鸿沟
不可避免地，有些会与星际气体碰撞，成为高能中性粒子
中性粒子的返程需要将近一年的时间，从日光层边缘穿越太空回到IBEX——这只有在粒子恰好朝着正确的方向前进的情况下才能实现
在所有形成的中性粒子中，只有少数粒子真正到达了IBEX
对于IBEX观测范围内的最高能量粒子来说，整个旅程需要两到三年的时间，而对于较低能量或更远的区域，则需要更长的时间
IBEX利用了这样一个事实，即像这样的中性原子不会被太阳的磁场转移:新的中性粒子以近乎直线的方式远离碰撞
IBEX探测天空中的粒子，记录它们的方向和能量
宇宙飞船每隔一秒钟只能探测到一个
其结果是一张缓慢构建的星际边界地图，其制作原理与蝙蝠在夜间通过回声定位的原理相同:监控传入的信号，从而更加稳定地了解周围环境
通过研究中性粒子的来源和时间，IBEX可以追踪我们日光层的遥远边界
“我们很幸运能从日光层内部观察到这一点，”2019年至2020年担任NAWA·贝克项目客座研究员的贾斯蒂娜·索克说
利用IBEX 11年多的数据，麦科马斯和他的团队观察到了不断变化的太阳风
他们看到，当阵风吹来时，日光层像气球一样膨胀，中性粒子在外围涌动
风平息时，气球收缩；中性粒子减少
科学家们报告说，随后中性粒子的往复运动，在风发生变化后的两到三年内一直在回响——反映了它们往返太阳系边缘的旅程
“这些效应需要很多年才能到达日光层的边缘，”天体物理学副研究员、IBEX小组成员杰米·萨莱说
“对我们来说，从IBEX获得如此多的数据最终使我们能够建立这些长期相关性
" 塑造日光层 从2009年到2014年，风刮得相当低而且稳定，微风习习
日光层收缩了
接着，太阳风中出现了令人惊讶的膨胀，仿佛太阳发出了一声巨大的叹息
2014年底，美国宇航局绕地球运行的航天器检测到太阳风压力增加了约50%，此后一直保持在较高水平
两年后，汹涌的太阳风在太阳鞘中引发了一系列中性粒子
又过了两年，它们填满了日光层的大部分鼻子，然后到达日光层的北极和南极
这些变化是不对称的
每个观察到的凸起都描绘了日光层形状的奇特之处
科学家们惊讶地发现，他们能清楚地看到太阳风的弓形波将太阳顶推出
“时间和中性粒子确实为我们描绘了日光层形状的距离，”麦科马斯说，他也是普林斯顿等离子体物理实验室的普林斯顿副总裁
IBEX仍然没有观察到来自日光层后端，日尾的宇宙叹息的影响
这表明尾端比前端离太阳更远——这些粒子在更长的旅程中
也许太阳风仍在向尾部冲击，或者中性粒子已经在返回的路上了
在未来的几年里，IBEX团队将会关注他们
日光层，我们太阳和太阳系周围的宇宙气泡
当日光层穿越星际空间时，会形成一个弓形激波，类似于船在海洋中运动时的弓形波
我们日光层的宇宙环境(最左边)被天文学家称为“本地绒毛”，一种超高温气体云
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
就在那里面有一个叫做日鞘的湍流区域
这幅图中还展示了两艘航海家号宇宙飞船，它们离开日光层的大致路径
旅行者一号在1980年被土星绕过时，在行星轨道平面上方向北偏转
旅行者二号被海王星向下偏转，并在行星平面下方向南移动
荣誉:美国国家航空航天局/戈达德太空公司的沃尔特·费默 “大自然为我们设置了这个完美的实验来更好地理解这个界限，”萨莱说
“我们要看看当一件大事——太阳风推动——发生变化时会发生什么
" 近几年来，日光层的形状一直是科学家们争论的话题
有些人认为我们在太空中的泡泡是球形的；其他人认为它更接近羊角面包
但在这项研究中，麦科马斯说，IBEX数据清楚地表明日光层对太阳风推动的反应是不对称的——所以日光层本身也一定是不对称的，形状像彗星
太阳位于靠近前方，当它在太空中疾驰时，日尾明显落后得多
解决IBEX最大的难题 IBEX多年的数据也让科学家们更接近于对日光层的一个更令人困惑的特征的解释，即IBEX丝带——IBEX最大的发现之一
它于2009年宣布，指的是横跨日光层前部的一大片对角线状高能中性粒子
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都应该与其他部分如此不同？ 随着时间的推移，IBEX已经表明，形成丝带的东西与形成星际天空其余部分的东西非常不同
它是由星际磁场的方向形成的
但是带状粒子是如何产生的呢？现在，科学家们报告说，很可能是第二个过程造成的，导致某一组高能中性粒子的行程增加了一倍
故事是这样的:在成为高能中性粒子后，这组粒子不是反弹回IBEX，而是向相反的方向移动，穿过日光层，进入星际空间
在那里，他们尝到了“本地软毛”的味道，游弋着，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，并与周围的磁场捆绑在一起
又过了两年左右，带电粒子再次与速度较慢的粒子碰撞，像以前一样窃取电子
在这短暂的超越日光层的迁移之后，两次出生的高能中性粒子最终再次进入，冲向家园
扩展的IBEX数据帮助科学家将丝带与粒子的漫长星际之旅联系起来
形成带状的粒子比观察到的其他中性粒子多移动了大约两年
当它到达太阳风峰值时，在日光层的其余部分开始响应之后，丝带又花了两年时间
远超过最初两年的任务，IBEX将很快加入另一个美国宇航局的任务，IMAP——星际测绘和加速探测器的简称，麦科马斯也是该任务的首席研究员
该任务计划于2024年底发射
“IMAP提供了一个绝佳的机会，以极高的分辨率和灵敏度来研究IBEX已经开始向我们展示的东西，这样我们就可以真正详细地了解那里的物理，”麦科马斯说
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