深入探索太阳系“保护罩”日球层，NASA 新任务 IMAP 即将发射

IT之家 9 月 24 日消息，围绕我们太阳系的是一个天然而神秘的宇宙屏障 —— 日球层（heliosphere），一项全新的太空任务旨在帮助天文学家更深入地了解这一关键结构。

日球层由太阳风形成，太阳风是源自太阳、持续向外喷射的带电粒子流。它如同一个巨大的“气泡”，将整个太阳系包裹其中，保护各行星免受银河系中弥漫的宇宙辐射影响。

除了地球自身的磁场防护之外，日球层在维持地球生命存在方面发挥着至关重要的作用。

迄今为止，已有超过六个航天任务为人类理解日球层作出了贡献。其中，旅行者号探测器（Voyager probes）在穿越日球层进入星际空间后，采集了大量关键数据。

美国国家航空航天局（NASA）即将推出的全新任务 ——“星际测绘与加速探测器”（Interstellar Mapping and Acceleration Probe, IMAP），将以前所未有的方式深入研究太阳如何产生太阳风，以及太阳风在日球层边界处如何与星际空间相互作用。据 NASA 介绍，该边界距离地球最远可达地球至冥王星距离的三倍之遥。

IMAP 搭载的 10 台科学仪器，将填补此前任务所构建的日球层地图中的空白区域，并进一步揭示日球层如何有效屏蔽来自宇宙深处最具能量的高能粒子 —— 宇宙射线，从而保护我们的太阳系。

IMAP 还将与另外两项空间天气监测任务一同执行，预计于本周三搭载同一枚火箭发射升空。这三项任务将共同提升科学家对太阳风暴何时可能影响地球的预测能力。当这些由太阳爆发引发的强烈辐射直接指向地球时，即所谓“空间天气”事件，可能威胁国际空间站上的宇航员安全，并干扰通信系统、电网、导航设施以及无线电和卫星运行。

“这一系列新任务堪称终极的‘宇宙拼车’，”NASA 天体物理学部主管乔・韦斯特莱克博士（Dr. Joe Westlake）在周日举行的新闻发布会上表示，“它们将为我们提供前所未有的空间天气洞察力。地球上每一位人类，以及几乎所有涉及太空探索和人类基本需求的系统，都会受到空间天气的影响。”

根据 NASA 资料，日球层的概念最早由多位科学家在 20 世纪 50 年代末提出，当时他们正在研究宇宙射线与太阳风的关系。他们推测，太阳释放出的磁力场和太阳风构成了一道包围地球及整个太阳系的边界。

1962 年，首个成功飞掠金星的探测器“水手 2 号”（Mariner 2）首次测量到太阳风，证实了其真实存在。随后，20 世纪 70 年代的先驱者 10 号和 11 号任务，以及旅行者号探测器的直接观测，进一步验证了日球层的存在。

科学家一直渴望了解日球层边界的精确形态。在这方面，仅有两个航天器曾真正穿越过这一边界 —— 旅行者 1 号于 2012 年抵达日球层边缘，而速度较慢的旅行者 2 号则于 2018 年穿越。两者分别提供了两个特定位置的“快照”，这些数据正帮助科学家推断日球层呈彗星状的结构特征。

自 2008 年发射以来，星际边界探测器（IBEX, Interstellar Boundary Explorer）卫星一直在绘制日球层的地图。但 IMAP 凭借其成像速度更快、分辨率高达 IBEX 三十倍的先进仪器，将以前所未有的精度探索并绘制日球层边界。

一旦进入距地球约 100 万英里（约 160 万公里）的稳定轨道，IMAP 将实时捕捉太阳风动态，测量从太阳出发的粒子流，研究距离地球 60 亿至 90 亿英里（约 97 亿至 145 亿公里）外的日球层边界，甚至收集来自星际空间的数据。

IMAP 的主要科学手段是测量一种被称为“高能中性原子”（Energetic Neutral Atoms, ENAs）的不带电粒子。这类粒子在高速带电离子与低速中性原子碰撞时产生，广泛存在于太空等离子体（即带电气体）环境中，尤其在日球层内部及其边界区域频繁出现。NASA 指出，IMAP 将通过追踪这些 ENAs 来构建更为完整的日球层三维图像。

由于 ENAs 不带电荷，其运动轨迹不受磁场干扰，始终保持直线传播。因此，IMAP 可在近地空间捕获这些粒子，并逆向追溯其来源，从而“看见”原本不可见的日球层边界。

“IMAP 将以前所未有的细节描绘出这一相互作用区域的动态图像，”IMAP 项目首席研究员、普林斯顿大学天体物理学家大卫・麦克马斯博士（Dr. David McComas）表示，“我们将能够真正理解这个‘防护罩’的结构、工作机制及其外观形态。”

麦克马斯还指出，我们的太阳系并非唯一拥有类似日球层结构的星系。天文学家已在其他恒星周围观测到明亮的“恒星风层”（astrospheres）。

据IT之家了解，IMAP 计划于美国东部时间周三上午 7:30（北京时间周三 19:30），从佛罗里达州肯尼迪航天中心搭乘 SpaceX 公司的猎鹰 9 号火箭发射升空，同时搭载 NASA 的卡鲁瑟斯地冕观测站（Carruthers Geocorona Observatory）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的 SWFO-L1 任务（Space Weather Follow On-Lagrange 1，空间天气后续-拉格朗日 L1 点任务）。NASA 将在 YouTube 平台全程直播此次发射。

卡鲁瑟斯地冕观测站是一颗小型卫星，专注于观测地球最外层大气 —— 外逸层（exosphere）。该任务将捕捉外逸层微弱的紫外辉光（称为“地冕”），以解答关于其形状、大小和密度的关键问题。

该任务以乔治・卡鲁瑟斯博士（Dr. George Carruthers）命名。他曾研制出首台月基紫外相机，并在阿波罗 16 号任务期间将其部署于月球表面。这台至今仍位于月球笛卡尔高地的相机，曾拍摄地球的紫外图像，并于 1972 年首次捕捉到外逸层影像。

卡鲁瑟斯任务还将测量外逸层在空间天气影响下的变化情况，因为该区域标志着地球与太空之间的过渡边界。

与此同时，SWFO-L1 任务旨在充当“太阳风暴预警系统”，为近地轨道上的宇航员和支撑地球关键通信的卫星提供早期警报。随着人类逐步向深空进发，此类预警工具的重要性愈发凸显。

SWFO-L1 搭载的小型日冕仪望远镜将持续监测太阳活动并测量太阳风，向 NOAA 空间天气预测中心提供连续不断的实时数据。该卫星拍摄的太阳风暴图像可在 30 分钟内传送到地面中心，而目前仍在运行的其他任务（如 NASA 与欧洲航天局于 1995 年发射的“太阳和日球层观测台”SOHO）则可能需要长达八小时才能完成数据传输。