Shea編譯
在太陽系的深處，陽光已遠沒有那么的耀眼，無盡的黑暗幾乎吞噬了一切。但就在這黑暗的背后，有一場事關地球上生命生死存亡的“拉據(jù)戰(zhàn)”已經(jīng)上演了數(shù)十億年。這里就是太陽系的邊界——太陽系最后的高地。
太陽系的邊界在哪里？
這并不是一個如想象中那么容易回答的問題。
有些東西具有明確的邊界，例如一張桌子或者是一片足球場，而其他一些的則并不那么顯而易見，例如城市或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)，很難說清楚它們究竟止于何處。太陽系的邊界更類似于后者。你可能會想，太陽系的邊界其實就是太陽的作用可以波及的最遠距離。那么太陽的作用究竟指的是什么？是太陽所發(fā)出的光？還是太陽的引力或者是太陽的磁場和太陽風？
陽光所能“照亮”的范圍并不能很好地告訴我們太陽系的邊界在哪里。因為隨著遠離太陽，陽光會越來越暗，但這一變化是連續(xù)而“平滑”的，并不存在一個地方，在那里陽光會戛然而止或者突然變弱。那么太陽的引力呢？就如同光一樣，隨著距離的增大太陽引力也會不斷減小，但它也不具有一條明確的界線。事實上，天文學家仍然在不斷發(fā)現(xiàn)位于冥王星軌道之外的天體。
然而，太陽風和陽光以及引力都有著迥異的差別。當它從太陽表面被“吹”出來之后，就會向恒星之間的領域（星際空間）進發(fā)。通常星際空間被認為是“空”的，但其實包含有痕量的氣體和塵埃。太陽風會“吹打”這些物質，并且在其中清理出一個氣泡狀的區(qū)域。這個包裹著太陽和太陽系的“氣泡”被稱為“日球層”。盡管形狀上類似肥皂泡，但其實從物理上它更像是在寒冷的空氣中你所呼出的一團白色霧狀氣體?？茖W家們認為日球層的最內側到太陽的距離是日地距離（被定義為“天文單位”）的90倍數(shù)，即90個天文單位，差不多是冥王星的2.5倍遠。這里就是太陽系的邊界。
[圖片說明]：太陽系及其邊界宏觀概念圖。版權：NASA/JPL。
細窺太陽系的邊界
在太陽系的邊界之外就是廣袤的星際空間。星際空間并不是完全的真空，還存在星際介質。星際介質絕大部分由氫和氦組成，其余的則是更重的元素，例如碳。而在整個星際介質中大約有1%是以塵埃的形式出現(xiàn)的。雖然星際介質并不均勻，密度有高有低，但即使是在密度最高的地方，它的密度也只有地球大氣的一百萬億分之一。
誠然星際介質是如此的稀薄，但它仍然具有壓強。而從太陽“吹”出的太陽風也是如此。在靠近太陽的地方，太陽風具有很大的推力，可以輕松地吹散太陽周圍的星際介質。不過在遠離太陽的地方，星際介質最終會勝出，它會使得太陽風減速并且最終停下來。太陽風減速并且開始和星際介質相互作用的地方被稱為“太陽風鞘”，它包含了終端激波（太陽系邊界的最內層）、太陽風層頂（太陽系邊界的最外層）以及介于兩者之間的這三部分。
信不信？在你們家的廚房里也存在著類似的現(xiàn)象，只不過一個是平面的，一個是三維。當從龍頭中流出的水打到洗碗池底部的時候，水流就會以更高的速度向外擴散，形成一個由水流組成的“圓盤”，這就像終端激波中的太陽風。在這個圓盤的邊界周圍會形成一道水墻（對應于激波波前），在它之外水流的速度就會降低，類似于終端激波之外的情景。
在物理上終端激波對應的正是太陽風的速度降低到小于當?shù)芈曀俚牡胤?，這一減速會導致許多重要的變化。太陽風由等離子體組成，當它減速的時候就會壓縮到一起，就像一群人同時涌入一個小房間。受到擠壓之后等離子體就會大幅升溫。同樣地，太陽風中夾帶的太陽磁場也會在終端激波處增強。到目前為止對終端激波僅進行了2次直接探測。“旅行者”1號和2號分別在2004年和2007年穿越了終端激波，兩者當時的距離分別為94和84個天文單位，足足相差了10個天文單位。這一不對稱性顯示，由于至今不明的某種原因太陽系傾向了一側，更多地把它的另一側暴露在了星際空間中。
太陽風層頂則是太陽風和星際介質的邊界，在那里太陽風的強度不再足以能抵抗星際介質的壓強，因此做為日球層外邊界的太陽風層頂也經(jīng)常被視為是整個太陽系的外邊界。由于太陽在星際介質中并不靜止且運動速度大于其中的聲速，因此在日球層的前方還會形成弓形激波，它和在超音速飛機前方出現(xiàn)的激波十分類似。
正是由于這些特性，太陽系的邊界把我們以及整個太陽系和外部的星際介質乃至銀河系環(huán)境隔絕了開，而這里也成為了抵御外部物質“入侵”的主戰(zhàn)場。
遮擋宇宙線的大傘
如果太陽系沒有邊界，或者它的邊界位于地球軌道之內，那么進入到太陽系內的宇宙線數(shù)量將會升高到目前的至少4倍。宇宙線通常是由恒星爆發(fā)所產生的高能粒子，其中包括了電子、質子和其他的原子核。雖然地球的磁層可以為我們抵擋部分來自太陽系以外的宇宙線，但宇宙線數(shù)量如此迅猛的提高也會大大增加能穿透地球磁層到達地球表面的高能宇宙線的數(shù)量。這將直接導致對地球臭氧層的破壞，并且還會造成對DNA的損傷和變異。
[圖片說明]：能量高于100兆電子伏的高能宇宙線進入太陽系之后的比例。在弓形激波外為100%，穿過太陽風層頂后出現(xiàn)小幅下降。在距離太陽大約100個天文單位處、介于太陽風層頂和終端激波之間的地方，高能宇宙線的數(shù)量驟減超過50%。最終只有不到原來25%的才能進入內太陽系。版權：SRI。
宇宙線對DNA的損害非常嚴重。如果細胞無法修復受損的DNA，那么細胞就會死亡。如果這一損傷被復制進了更多的細胞，那么就會造成變異。暴露在大劑量的宇宙線下會增加患癌癥、白內障和神經(jīng)障礙的風險。長期或者短時間高強度暴露在宇宙線下還會影響地球上生命的演化。
因此從另外一個角度來講，對日球層的研究將幫助我們?yōu)槲磥淼目臻g旅行做好充分地防范準備。而在這一研究領域中有一個探測器不能不提，那就是美國宇航局的“星際邊界探測器”（IBEX）。
坐地遙看日球層
2008年10月19日，IBEX使用掛載在L-1011飛機下方的“飛馬”火箭發(fā)射入軌。IBEX的軌道位于地月之間5/6處，如此高的軌道使得它在大部分時間里都能免受地球磁層對其觀測的干擾。但即便如此，它還是距離太陽系的邊界非常遙遠。不過沒關系，IBEX自有高招。
[圖片說明]：IBEX在軌的藝術構想圖。版權：Walt Feimer/GSFC/NASA。
IBEX是一個小型的探測器，大小和公共汽車輪胎相當。在它上面裝載有用于觀測太陽系邊界的“望遠鏡”。與普通接收光的望遠鏡不同，這些“望遠鏡”是用來搜集高能中性原子（ENA）的。顧名思義，ENA其實就是快速運動的電中性粒子。ENA的前身通常是帶電的離子，當這些離子和中性原子相互作用的時候，前者就會從后者那里“竊取”電子進而呈電中性。由于這些粒子本身不再帶電，它們的軌跡也就不會再受到磁場的影響，因此它們會從相互作用發(fā)生的地點沿直線向外運動。
這一相互作用被稱為“電荷交換”。當太陽風中的離子和星際介質中的中性原子相互作用的時候就會發(fā)生電荷交換。在整個過程中會有大量的粒子發(fā)生相互作用，由此產生的ENA也會向各個方向運動。其中一些ENA會恰好朝著IBEX運動并且被探測到，IBEX上的傳感器可以探測從每小時1個到每分鐘數(shù)個的ENA流量。這些來自冥王星軌道之外的粒子要花上少則1個月多則11年的時間來完成整個旅程。
IBEX上的兩架“望遠鏡”會隨著IBEX的自轉收集來自天空中不同方位的ENA。在這個過程中傳感器會測定它們所來自的方向、到達的時間、粒子的質量以及能量。這就使得科學家們能繪制出一張全天的ENA分布圖，而先前的兩個“旅行者”號探測器只能探測星際邊界上的某個局部區(qū)域。但IBEX的初步結果卻是大大地出乎了所有人的意料。
[圖片說明]：IBEX探測到的高能中性原子流量的全天分布，中間的蛇形條帶清晰可見。版權：SRI。
這一全天探測能力使得IBEX發(fā)現(xiàn)了原先不為人知的驚人結構，在兩個“旅行者”探測器之間存在一個蛇形的ENA聚集帶。對這一聚集帶的詳細研究顯示，在太陽系邊界的某些局部地區(qū)離子的密度出現(xiàn)了大幅度地升高?？茖W家對這一變化的原先預期是大約10%，但實際測量的結果卻為200-300%。目前還全然不知該如何解釋這一現(xiàn)象，這說明我們原先對太陽系邊界的認識還存在不足。
五十多年來，人類的觸角已幾乎遍及了太陽系的各個角落，但唯獨它的邊界還遠未清晰地進入我們的視線。那里究竟還隱藏著些什么？也許只有時間和對未知的孜孜以求才能回答。
