星际边界 太阳系的边界在哪里

在太阳系深处，太阳远没有那么耀眼，无尽的黑暗几乎吞噬一切。但就在这黑暗的背后，却出现了一场关乎地球上数十亿年生命生存的“夺权之战”。这是太阳系的边界——太阳系最后的高地。

太阳系的边界在哪里？

这不是想象中那么容易回答的问题。

有些东西有明确的界限，比如一张桌子或者一个足球场，而有些东西就没那么明显了，比如城市或者城镇。很难说它们会在哪里结束。太阳系的边界更类似于后者。你可能会认为太阳系的边界实际上是太阳的作用所能到达的最远距离。那么太阳到底是什么意思呢？是太阳发出的光吗？还是太阳引力还是太阳磁场和太阳风？

阳光能够“照亮”的范围，并不能告诉我们太阳系的边界在哪里。因为随着与太阳距离的增加，太阳会越来越暗，但这种变化是连续的，“平滑”的，没有太阳会突然停止或突然减弱的地方。太阳引力呢？就像光一样，随着距离的增加，太阳的引力会减小，但没有明确的边界。事实上，天文学家仍然在冥王星轨道之外发现天体。

然而，太阳风与阳光和重力有很大的不同。当它从太阳表面“吹出”时，它将向恒星之间的空间(星际空)前进。一般星际空间空被认为是“空”，但实际上含有微量的气体和尘埃。太阳风将“吹动”这些物质，并清除其中的一个气泡状区域。这个围绕太阳和太阳系的“气泡”被称为“日光层”。虽然形状类似肥皂泡，但物理上更像是你在寒冷空空气中呼出的一团白雾气体。科学家认为，日光层最内层到太阳的距离是太阳到地球距离(定义为“天文单位”)的90倍，即90个天文单位，几乎是冥王星的2.5倍。这是太阳系的边界。

太阳系及其边界宏观概念图。版权所有:美国国家航空航天局/JPL。

对太阳系边界的进一步观察

太阳系的边界之外是广阔的星际空间空。星际空不完全成立空，还有星际介质。星际介质大部分由氢和氦组成，剩下的是碳等较重的元素。而整个星际介质大约有1%是尘埃的形式。虽然星际介质是不均匀的，密度有高有低，即使在密度最高的地方，密度也只有地球大气层的一百万亿倍。

星际介质这么薄是真的，但还是有压力的。太阳“吹”来的太阳风也是如此。在太阳附近，太阳风的推力很大，很容易吹走太阳周围的星际介质。但远离太阳，星际介质最终会胜出，使太阳风变慢，最终停止。太阳风减速并开始与星际介质相互作用的地方称为“太阳风鞘”，它包括末端冲击波(太阳系边界最内层)、太阳风层顶(太阳系边界最外层)以及它们之间的三个部分。

信不信？你的厨房也有类似的现象，只是一个是平面的，一个是立体的。当水龙头流出的水打在水槽底部时，水会以更高的速度向外扩散，形成由水组成的“圆盘”，就像终端冲击波中的太阳风。在圆盘的边界周围会形成一个水墙(对应于激波阵面)，在它外面水流的速度会减小，类似于末端激波外面的情况。

在物理上，末端冲击波对应的是太阳风速度降低到小于当地声速的地方，而这种减速会导致很多重要的变化。太阳风是由等离子体组成的，它在减速时压缩在一起，就像一群人同时涌入一个小房间。被挤压后，等离子体的温度会大大升高。同样，太阳风中夹带的太阳磁场也会在末激波处加强。到目前为止，终端冲击波只被直接探测到两次。旅行者1号和旅行者2号分别在2004年和2007年穿越了终端冲击波，两者之间的距离分别为94和84天文单位，足足相差10个天文单位。这种不对称表明，由于某种未知的原因，太阳系向一侧倾斜，将另一侧暴露在星际空间空。

太阳风层的顶部是太阳风与星际介质的边界，此时太阳风的强度已经不足以抵抗星际介质的压力，所以太阳风层的顶部，也就是日光层的外边界，往往被认为是整个太阳系的外边界。由于太阳在星际介质中不是静止的，其运动速度比声速快，所以在日光层前方会形成弓形冲击波，与超音速飞机前方出现的冲击波非常相似。

正是因为这些特点，太阳系的边界将我们和整个太阳系与外部星际介质乃至银河系环境隔开，也成为抵御外部物质入侵的主战场。

屏蔽宇宙射线的大伞

如果太阳系没有边界，或者说它的边界位于地球的轨道上，那么进入太阳系的宇宙射线数量至少会增加到现在的四倍。宇宙射线通常是恒星爆炸产生的高能粒子，包括电子、质子和其他原子核。虽然地球磁层可以保护我们免受太阳系外的一些宇宙射线的伤害，但是宇宙射线数量的迅速增加将会大大增加能够穿透地球磁层到达地球表面的高能宇宙射线的数量。这将直接导致地球臭氧层的破坏，也会造成DNA的破坏和变异。

[图片说明]:高能宇宙射线进入太阳系后能量高于100 mev的比例。在弓激波外是100%，通过太阳风层顶后略有减少。在距离太阳约100个天文单位处，太阳风层顶部与末端冲击波之间，高能宇宙射线数量急剧下降50%以上。最终能进入内太阳系的不到25%。版权所有:SRI。

宇宙射线对DNA的破坏非常严重。如果细胞不能修复受损的DNA，就会死亡。如果这种损伤被复制到更多的细胞中，就会引起突变。暴露在大剂量的宇宙射线下会增加患癌症、白内障和神经疾病的风险。长期或短期高强度暴露于宇宙射线也会影响地球上生命的进化。

因此，从另一个角度来看，对日光层的研究将有助于我们为今后在空之间的旅行做好充分准备。在这个研究领域，有一个探测器是IBEX不能忽视的，那就是NASA的星际边界探测器。

坐在地上看着太阳球

2008年10月19日，搭载在L-1011飞机下的飞马火箭将IBEX送入轨道。IBEX的轨道位于地球和月球之间的5/6处，因此其高轨道可以避免地球磁层对其大部分时间观测的干扰。但即便如此，离太阳系的边界还是很远。不过没关系，IBEX有自己的招数。

轨道上的IBEX意境。版权所有:沃尔特·费默/GSFC/美国国家航空航天局。

IBEX是一款小型探测器，大概有公交车轮胎大小。它装有一个“望远镜”，用于观察太阳系的边界。与接收光线的普通望远镜不同，这些望远镜用于收集高能中性原子(ENA)。顾名思义，ENA实际上是一个快速移动的电中性粒子。ENA的前身通常是带电离子。当这些离子与中性原子相互作用时，前者会从后者那里“窃取”电子，变成电中性。由于这些粒子不再带电，它们的轨迹将不再受到磁场的影响，因此它们将从相互作用发生的地方沿直线向外移动。

这种相互作用称为“电荷交换”。太阳风中的离子与星际介质中的中性原子相互作用时，发生电荷交换。在整个过程中，大量的粒子会相互作用，产生的ENA也会向各个方向运动。一些ENAs只会向IBEX移动并被检测到。IBEX上的传感器可以检测每小时一次到每分钟几次的ENA流量。这些来自冥王星轨道之外的粒子只需要一个月到11年就可以完成整个旅程。

随着IBEX的旋转，IBEX上的两个望远镜将从天空中不同的方向收集ENA。在这个过程中，传感器将测量它们来自的方向、到达时间、粒子的质量和能量。这使得科学家能够绘制一张全天的ENA分布图，而之前的两个旅行者探测器只能探测星际边界上的一个局部区域。但是IBEX的初步结果却远超大家的预期。

IBEX探测到的高能中性原子通量的全天分布清楚地显示了中间的蛇形带。版权所有:SRI。

这种全天探测能力使IBEX能够发现一种以前未知的惊人结构。在两个旅行者探测器之间有一条蜿蜒的ENA聚集带。对这一聚集带的详细研究表明，在太阳系边界的一些局部区域，离子密度大大增加。科学家最初预计这一变化约为10%，但实际测量结果是200-300%。目前我们还不知道如何解释这种现象，说明我们对太阳系边界的原始认识还不够。

50多年来，人类的触角几乎覆盖了太阳系的每一个角落，但只有它的边界远远没有清晰地进入我们的视线。那里还藏着什么？也许只有时间和对未知的追求才能回答。