

旅行者2号航天器花了四十多年时间,乘着太阳风远离太阳,驶入星系。然后,不到一天的时间里,探测器就冲破了我们太阳的保护性气泡,进入了一个充满外来粒子的星际海洋。
这个能够抵挡约70%有害宇宙射线的气泡的确切形状——以及其内部如何与外部混合(或不混合)——是困扰研究人员数十年的问题。他们曾通过无线电波和其他观测手段间接瞥见过我们宇宙后院的这个边缘,但直到2012年旅行者1号穿越它时,才第一次直接接触到这个神秘的边界。现在,旅行者2号去年11月加入了它的前辈,飞到了外面,提供了第二次、另一个地点的接触。经过一年的分析,研究人员已在《自然天文学》杂志上发表了一系列论文 、 、 、 其中 详细介绍了旅行者2号对环绕我们的太阳气泡进行的直接测量——这是在任务规划时纯粹是理论性的物理结构获得的具体知识。
“50年前,我们甚至不知道那里是否存在边界,”爱荷华大学的荣誉教授、旅行者等离子体波仪器首席研究员唐纳德·格尔内特(Donald Gurnett)说。
虽然旅行者的主要任务都是关于行星探测,但扩展任务则侧重于整个太阳系。太阳除了照亮天空外,还以每小时约一百万英里的速度向各个方向喷射带电粒子太阳风。尽管我们倾向于认为“外太空”是空的,但这种太阳风实际上充斥着太阳系,形成一种稀薄的等离子体(一种炽热、带电的气体),随着太阳风吹离太阳,这种等离子体会变得越来越稀薄。“这就像在房间里喷洒香水,”格尔内特说。
最终,太阳等离子体的密度会变得非常稀薄——每立方鲁比克魔方空间只有大约一个电子——以至于它无法再将星际空间的东西推开。那里也有等离子体,而且在太阳影响范围之外的密度大约是内部的20倍——这个区域被称为日鞘。从稀薄等离子体到浓厚等离子体的这种剧烈变化,是探测器进入星际空间的一个迹象。“我们正在测量的是我们的后院,”波士顿大学的等离子体物理学家梅拉夫·奥菲尔(Merav Opher)说,她没有直接参与旅行者团队。“我们从未离开过我们在银河系中的家。”
但现在旅行者号正在进入本地星际空间(其他报废的航天器也在,但它们不再收集数据),研究人员正在比较它们各自位置的测量数据,并拼凑出日鞘的整体形状和行为。例如,旅行者1号在仍在日鞘内时,就间接捕捉到了一些星际等离子体的迹象——这表明太阳在太阳系周围竖起了一道“漏风”的屏障。“这几乎就像有人打开了一扇窗户,我们在[边界]前面得到了一些星际物质,”奥菲尔说。
然而,在去年的离开过程中,旅行者2号没有感受到任何这样的星际气流。它也一直感受到太阳风,直到边界——一个旅行者1号曾报告过“无风”的区域。
更令人费解的是磁场的行为。旅行者2号支持了旅行者1号一些有争议的磁场读数,这些读数表明太阳等离子体中的磁场与星际等离子体中的磁场平滑地对齐,几乎没有边界的迹象。奥菲尔说,一个叫做“重联”的现象可能融合了这两个磁场,但总的来说,日鞘并不像有些人希望的那么简单。“我们并不真正理解那个包层,那个将我们与星际介质隔开的墙,”她说。“这是一项比我们想象的复杂得多的事业。”
更复杂的是,日鞘并非真正的球形。太阳以近6万英里的时速在银河系中游荡,拖着整个太阳系前进,将太阳气泡压成格尔内特称之为“钝子弹形”。关于这个子弹到底是什么样子的,还有一些讨论(奥菲尔说它类似于船的尾迹),但两个旅行者的离开点正帮助研究人员开始确定其形状。
旅行者1号从子弹的头部喷射而出,而旅行者2号则从稍下方偏左的位置离开。尽管它们在太阳周期的不同时间(人们认为太阳周期会使日鞘膨胀或收缩)从不同的出口离开,但两艘航天器在距离太阳的相同距离处遇到了子弹的边界,这表明子弹的前部相当圆。为了弄清楚侧面或后部是什么样子,NASA也许有一天会派遣另一个为期数十年的任务去接触不同的点。但在此期间,研究人员将不得不依赖IBEX和IMAP,这些当前和即将进行的任务旨在从离地球更近的地方远程绘制日鞘图。
最终,格尔内特推测,旅行者的遗产可能是强调宇宙对清晰边界线的喜爱,无论是太阳系的边界膜还是太阳的表面。俗话说,与其说大自然厌恶真空,不如说大自然可能真的厌恶平滑的过渡。“你可能会认为,当你进入星际空间时,它可能是一种连续体,”他说,“但相反,大自然喜欢将其变成一个非常清晰的边界。”