奇葩!太陽系的外形如此不規則,科學家終于找到原因了

太陽系到底是什麼形狀的?你的第一反應,可能是下面這樣的——

(圖片說明:太陽系主要天體)

不過,這真的不能算是太陽系的形狀,因為這只是太陽系主要天體的分佈而已。這就好像有一個一米高的水缸,只裝了一公分高的水,你不能說這個缸的高度就只有一公分,而是要按照缸的邊緣來算,那就是一米高。

同樣的,想要描述太陽系的形狀,我們也要尋找太陽系的邊緣才行。

太陽系的邊緣,也有不同的定義。我們可以根據太陽的引力范圍來規定,不過這個范圍大到超出了我們的觀測范圍。太陽的引力至少可以延伸1光年以外,然而我們觀測到最遙遠的天體也只有這個距離的1%左右。

規定太陽系的邊緣還有一個要考慮的因素,那就是具備研究價值。所以,科學家們提出了另一個概念——日球層。

(圖片說明:太陽風)

我們知道,太陽除了發光發熱之外,還會向宇宙中釋放大量的輻射,比如太陽風。太陽風的本質就是一些高能等離子體,在太空中穿梭。顯然,飛出的距離越遠,太陽風的威力就越弱。

與此同時,宇宙中還有其他天體發出的各種各樣的輻射,它們也有很高的能量。在距離太陽比較近的地方,太陽輻射足夠強,佔據上風;在距離太陽足夠遠的地方,太陽輻射鞭長莫及,宇宙輻射佔據上風。在某個位置,兩種輻射則能夠達到幾乎相等的程度,形成「拉鋸戰」的局面。

太陽風能夠統治的范圍,被稱為 日球層,也有人稱之為 日光層,日球層以外被稱為 星際空間

(圖片說明:日光層示意圖)

日球層的邊界在距離太陽約120個天文單位(180億公里)的位置上,厚度約為0.5個天文單位,被稱為 日球層頂。這個日球層頂,就被很多科學家看作是太陽系的邊界。

雖然名叫日球層,但它就真的是球形嗎?

其實不然。因為太陽系不是固定的,而是繞著銀河系中心進行公轉的。在這個過程中,整個太陽系不是在完全的真空環境下穿行的,而是穿行于銀河系空間內的宇宙輻射之中。所以,太陽系的前方(科學家稱之為鼻尖)會受到前方宇宙輻射的作用而被壓縮,後面(反向鼻尖)則沒有這樣的壓力,會延伸得很長。

總體上說,太陽系的日球層頂應該是類似于彗星的形狀,如下圖所示——

(圖片說明:最初科學家認為太陽系的外形是彗星的形狀)

然而,問題並不是那麼簡單的,這只是理論上推測的結果,還需要實際驗證。上個世紀70年代末,美國發射了兩個旅行者號探測器,前往太陽系邊緣進行探索。如今,這兩個探測器已經先後沖出了日球層頂,正式進入了星際空間。

這兩台探測器沿途都會收集相關的資料,傳回地球供科學家研究,幫助科學家繪製太陽系的外形。然而,當結果出來時,科學家也懵了——這真的是太陽系嗎?

去年,波士頓大學天體物理學家Merav Opher在《自然-天文學》雜誌上發表了科學家的研究結果,令人驚訝的是,太陽系的形狀竟然和上面想象的完全不一樣,而是呈現出了非常不規則的形狀,看起來像是一個羊角包,具體來說就是這樣的——

(圖片說明:太陽系的外形可能像是個羊角包)

這確實出乎許多人的意料,不僅是因為想不到它會呈現這種形狀,而且這個形狀也太不規則了,不像是自然形成的啊!

自從取得了這個發現後,Opher就對這個事實充滿了興趣,決心進行深入的研究。一年過去了,他和他的團隊在《天體物理學雜誌》上發表了最新的研究成果,或許可以解釋太陽系為何長成這樣。

Opher將目光聚焦在了一種名叫日球層噴流的現象。所謂的日球層噴流,指的是從太陽的兩極所釋放出來的一對物質流,經過太陽磁場和星際磁場的相互作用雕刻後形成的一種現象。研究人員注意到,這種日球層噴流本身就不是筆直射出的,它的形狀就很像羊角包了。

(圖片說明:日球層噴流)

Opher說:「我們看到了這些噴流呈現出不規則的柱狀,而多年以來,天體物理學家們一直好奇它們的形狀會呈現出這樣的不穩定性。」

為了回答這個問題,他們進行了電腦建模,並將 中性氫原子作為重點模擬的因素。所謂的中性氫原子,就是不帶電的氫原子,它們在太空中廣泛分佈,但科學家們始終不知道這種物質對于太陽系的日球層有何影響。

在模型中,研究人員取得了驚人的發現:當他們將中性氫原子從模型中剔除時,太陽的噴流一下子就變得穩定了;反過來,當他們再將中性氫原子重新引入時,噴流就變化了。

(圖片說明:日球層和中性氫原子之間可能存在著特殊的相互作用)

Opher描述說:「當我將它們放回去的時候,這些物質就開始扭曲了,中心軸也開始搖擺,這意味著日球層噴流內有些物質開始變得非常不穩定了。」

那麼,日球層到底遭受了怎樣的影響呢?

研究人員推測,或許是這些中性氫原子和日球層頂的一些帶電粒子發生了相互作用,引發了一種名為 瑞利-泰勒不穩定性的現象。所謂的瑞利-泰勒不穩定性,指的就是一種比較輕的流體遇上比較重的流體時,會在這兩種不同密度的流體交界處產生不穩定性的現象。在我們的太陽系日球層尾部,這種現象就會導致大規模的湍流。

研究人員認為,這是解釋太陽系呈不規則羊角包形狀的合理猜想,對于我們理解銀河系內的宇宙射線在日球層遭遇到的阻礙有很大的幫助。如果沒有太陽輻射的作用,地球可能會一直處于宇宙輻射的摧殘之下,估計也不會孕育生命了。

用戶評論