当太阳风吹起，我们的日球层就会膨胀

当太阳风突然开始猛烈地吹时，会发生什么?根据最近的两项研究，我们整个太阳系的边界向外膨胀——以及对从边缘反弹的粒子的分析将揭示它的新形状。

2014年末，美国宇航局的航天器探测到太阳风发生了重大变化。近十年来，太阳风压力（测量速度和密度的综合方法）首次增加了大约50%，并在此后的几年里一直保持这种状态。两年后，星际边界探测器(IBEX)探测到了第一个余波信号。2014年发出的太阳风粒子到达了日球层的边缘，中和了自身，并一直飞回了地球。

在最近的两篇文章中，科学家们利用IBEX的数据和复杂的数值模型，来理解这些反弹的粒子，这些数据可以告诉我们，我们的日光层是由太阳风形成的巨大气泡。

“结果显示，2014年太阳风压力的增加已经从太阳传播到外日圈，在最近的方向上改变和扩大了我们的日圈边界，”David McComas说，他是新泽西州普林斯顿大学IBEX项目的首席研究员。“未来几年大量的IBEX数据将使我们能够绘制出日球层外边界其他部分的膨胀和演化结构。”

从太阳到太阳系的边缘反弹回来

故事的关键是高能中性原子——太阳系边缘产生的高能粒子。

当太阳风以超音速从太阳流出时，它就会吹起一个被称为日球层的气泡。日球层包围着我们太阳系中的所有行星，以及太阳系之外的大部分空间，将我们的太阳和星际空间分隔开来。

但是太阳风从太阳的旅程并不是一帆风顺的。在到达我们的日球层的边缘，也就是所谓的日球层顶的途中，太阳风穿过不同的层。第一个被称为终端冲击。

日球层示意图

在结束冲击之前，太阳风迅速膨胀，基本上不受外界物质的影响。

“但是，在距离我们大约93亿英里的终结激波中，太阳风会突然减速。超过这一点，它继续向外移动，但它要热得多。”普林斯顿大学一篇论文的第一作者Eric Zirnstein说。

一旦结束激波，太阳风粒子进入一个特殊的地狱地带，被称为日鞘。虽然终结激波本质上是球形的，但人们认为，日圈的边缘更多地描述了太阳在空间中运动时围绕太阳的弧线——更接近太阳的前方，并延伸到太阳的后面，就像一颗带着尾巴的彗星。沿着这些边界，太阳风粒子与来自星际空间的粒子混合。碰撞是不可避免的:带电、带电的太阳风粒子撞击到较慢的、较冷的中性原子，从星际空间中偷取一个电子，变成中性。

“从那里，他们在太空中进行弹道飞行，有些会一直飞回地球，”Zirnstein说。“这些是IEBX观察到的中性能量粒子。”

在2016年末，当IBEX的高能中性粒子成像器开始接收异常强烈的信号时，McComas教授和他的团队开始研究其原因。他们的发现发表在2018年3月20日的《天体物理学杂志快报》上。

高能中性粒子来自于离星际逆风方向30度的南方，那里的太阳鞘被认为是离地球最近的。

为了量化它与2014年太阳风压力增加的联系，McComas和他的团队进行了数值模拟，计算出这种压力增加会如何影响IBEX观察到的高能中性原子。

亨茨维尔阿拉巴马大学这两篇论文的合著者Jacob Heerikhuisen说:“这些类型的模拟涉及一个物理模型，然后把它转化成方程，然后用一台超级计算机来求解。”

利用计算机模型，研究小组模拟了整个日球层，用太阳风压力的增加震动了它，并让它运行这些参数值。模拟完成了一个仅由数据参与的演变过程。

根据模拟，太阳风一旦击中终端激波，就会产生一个压力波。这种压力波继续延伸到日光层的边缘，部分反弹，迫使粒子在它刚刚穿过的(现在更密集的)日鞘环境中发生碰撞。IBEX观察到的高能中性原子就是在那里诞生的。

这些模拟提供了一个令人信服的例子:IBEX确实在观察2014年太阳风压力上升的结果，而这一结果是在两年多之后。

但是模拟并没有到此为止。它还显示，随着时间的推移，2014年的太阳风压力增加会继续把日球层吹得更远。在这篇文章发表的三年后，太阳风的压力增加了，终止激波，即太阳圈内部的气泡，应该会膨胀7个天文单位，或者是地球到太阳的距离的7倍。太阳顶，也就是外部的气泡，应该会膨胀两个天文单位，第二年再增加两个天文单位。

简而言之，通过加大太阳风的压力，我们今天的日球层比几年前要大。

日球层的新形状

McComas和他的同事研究了2014年太阳风压力上升的最初迹象。但观察未来数年的数据可能会告诉我们更多——这一次是关于我们日冕形状的演变。

“有很多研究，有些是很久以前的，预测日圈的形状，”这篇论文的第一作者Zirnstein报告说。“但模型小组的争论还在继续。”我们希望2014年太阳风压力的增加能对此有所帮助。

使用与前一篇论文相同的数据和模拟，Zirnstein和他的同事们将时钟向前推进，在2014年太阳风压力上升8年后，对日圈进行了建模。结果不仅描述了过去，而且也模拟了未来。该论文于2018年5月30日发表在《天体物理学杂志》上。

“我们认为在不久的将来我们应该看到的是一个环，在天空中扩展，标志着随着时间的推移，中性能量粒子通量的变化，”Zirnstein说。“这个环从外日圈的初始接触点向日轨道的方向扩展。”

在最初的尖峰之后，充满能量的中性原子会像雨点一样落下，形成一个圆环，随着时间的推移在天空中展开。

虽然IBEX在2016年探测到的初始信号是一个实心圆，但它不会一直保持这样的状态。随着2014年太阳风到达日顶越来越远的点，它们需要更长的时间才能反弹回来，就像远处墙壁上的回音。日光层的圆形形状使回声以环状的形式反射回来。

但关键的发现来自观察这枚戒指膨胀的过程。

在他们的模拟中，Zirnstein和同事们发现，圆环膨胀的精确速度部分取决于日球层不同层之间的距离:终端激波、日顶和产生高能中微子的日鞘部分。Zirnstein意识到他找到了一种测量日球层大小和形状的新方法。

“我们可以通过观察这个在天空中随时间变化的环来估计到日圈不同边界的距离，”Zirnstein说。

Zirnstein和他的同事们利用他们模拟的日球层进行了一项试验研究。通过测量圆环的膨胀速率(并将其代入正确的方程式中)，他们可以精确地再现模拟日球层中关键结构的距离。因为他们知道这些距离在他们的模拟中是什么，他们可以检查他们的工作-证实这个技术得到了正确的答案，并且当应用到真正的日光层时应该是准确的。

圆环上的畸形——偏离一个完美的圆——也可能揭示出日球层整体形状的不对称性。“这取决于日球层的对称性或非对称性，”Zirnstein补充道。“如果日光层是理想的‘彗星形状’，那么光环应该随着时间的推移而对称地膨胀。”但事实上，这可能不会发生——我们得等着看IBEX告诉我们什么。

Zirnstein表示，他对能够了解太阳圈的真实形状感到兴奋。

“在接下来的几年里，有了更多的IBEX数据，我希望我们能够构建出一幅关于日球层形状的3D图像，”Zirnstein说。

这两项研究的结果具有重要的现实意义。McComas说:“将太阳的变化与中性能量粒子观测联系起来，将有助于我们理解太空辐射环境的长期危险条件的变化——一种太空气候，而不是太空天气。”“随着太阳风越来越猛烈地吹着，我们的太阳气泡不断膨胀和收缩，这直接影响了宇宙射线进入日球层的数量，有可能危及长期太空飞行的宇航员。”

但研究结果也强调了我们最近的恒星的不可思议的力量。太阳的变化，包括太阳风，会产生重大的影响，把数十亿英里的距离延伸到太空，到目前为止，只有两艘旅行者号宇宙飞船曾在太空中冒险过。利用像高能中性原子成像这样的技术，我们不能仅仅描绘，而是精确地测量这些遥远的日球层（我们在银河系的家）。