此條目介紹的是太陽的星狀球。关于其它恆星的星狀球,请见「
星風泡 」。
圖顯示自2012年8月起,航海家1號 檢測到的太陽風 顆粒減少了。
太陽圈 (英语 :Heliosphere)是太陽 所能支配或控制的太空區域 。太陽圈的邊緣是一個磁性 氣狀泡,並且遠遠的超出冥王星 之外。從太陽"吹"出的電漿 ,也就是所謂的太陽風 ,創建和維護著這個鼓起的泡沫,並且抵抗來自銀河系 的氫氣和氦氣,也就是外面的星際物質 ,滲入的壓力 。太陽風從太陽向外流動,直到遭遇到終端震波 ,然後在那裏突然的減速。航海家太空船 積極的探測太陽圈的邊界,穿越過震波和進入日鞘 ,為了到達太陽圈最外層的邊緣,稱為日球層頂 的過渡區。當太陽在空間中移動時,太陽圈的整體形狀是由星際物質控制的,它似乎不是一個完美的球形[ 1] 。以有限的資料用於未探勘過的自然界[ 2] ,已經推導出許多理論的架結構。
在2013年9月12日,NASA 宣布航海家一號 已經在2012年8月25日穿過太陽圈,當時它測量到的電漿密度突然增加了40倍[ 3] 。因為日鞘標誌著太陽風和其餘銀河系的一種邊界 ,可以說航海家一號 已經離開太陽系 ,抵達星際空間 。
摘要
星際邊界探測器 (IBEX)的高能中性原子 圖。創建者:NASA / 戈達德太空飛行中心 科學的具體化工作室(Scientific Visualization Studio)。
除了局部地區 鄰近的障礙,像是行星 或彗星 ,太陽圈內的物質都是自太陽發射出來的,然而宇宙射線 和高能中性原子 可以從外面滲入。起源於極端高溫的日冕 表面,太陽風中的微粒達到逃逸速度 ,以每秒300至800公里(時速67萬至179萬英里或100萬至290萬公里)向外流[ 4] 。當它們開始與星際物質 進行交互作用時,其速度減慢,終至完全停止。在太陽風低於音速的點稱為終端震波 ;在它穿越日鞘 時速度繼續減慢並導引至稱為日球層頂 的邊界,在那兒太陽風與星際物質的壓力達到平衡。航海家一號 在2004年橫越終端震波[ 5] ,而航海家二號 在2007年橫越終端震波[ 1] 。
它被認為在日鞘之外有弓形震波 ,但來自星際邊界探測器 的資料顯示太陽在星際物質中移動的速度太低,不會形成弓形震波[ 6] ,它可能只是較溫和的"弓形波"[ 7] 。航海家的資料導出日鞘有"磁性泡泡"和停滯區的新理論[ 8] [ 9] 。
航海家一號 在2010年檢測到日鞘內的停滯區大約開始於113AU天文單位 [ 8] ,太陽風的速度在那兒降至0,磁場強度倍增,來自銀河系的高能電子增加了100倍[ 8] ,在2012年5月,位於120AU之處開始,航海家一號 檢測到宇宙射線突然增加,這是接近日球層頂的跡象[ 10] 。在2012年12月,NASA宣布航海家一號在2012年8月,在距離太陽122AU之處,進入一個新的區域,它被稱為"磁公路",這是仍然受到太陽影響,但有一些顯著的差異的區域[ 5] 。在2013年的夏天,NASA宣布航海家一號已經在2012年8月25日進入星際空間 [ 11] 。
卡西尼號 和星際邊界探測器 (IBEX)的資料在2009年挑戰了"日球層尾"(heliotail)的理論[ 12] [ 13] ,在2013年7月,IBEX的結果顯示在太陽系的太陽圈有4條分裂的尾[ 14] 。
太陽風
太陽風中包含的微粒有來自日冕 的離子 和由微粒攜帶的場,特別是磁場 。當太陽以大約27天的週期自轉 時,磁場也跟隨著太陽風纏繞成螺旋線。太陽磁場的變化也隨著太陽風向外傳送,並且在地球 自己的磁氣層 內造成地磁風暴 。
在2005年3月,裝置在SOHO卫星 上的太陽風各向異性儀(SWAN )的報告顯示,原本應該被太陽風的微粒填滿的太陽圈,藉以阻擋來自太陽系外的星際介質,在周圍的區域已經有星際介質滲入,而且可能在銀河系區域性的磁場作用下產生了變形,成為非軸對稱的形狀[ 15] 。
結構
太陽圈電流片
伸展至木星軌道外的太陽圈電流片。
太陽圈電流片 是轉動的太陽磁場在太陽圈內創造出來的漣漪,被認為是太陽系內最大的結構。它伸展在太陽圈中,類似芭蕾舞的女舞者舞動著的裙襬[ 16] 。
外圍的結構
在對數尺度下向外延伸的太陽系,顯示出太陽圈、歐特雲 和半人馬座α 。
太陽圈的外圍結構取決於太陽風和星際空間風的作用。太陽風由太陽的表面向四面八方流出,在地球附近的速度大約是每秒數百公里(大約是時速一百萬英里)。在遠離太陽的某個距離上,至少超越過海王星 的軌道,這股超音速的氣流必然會減速並遭遇到星際物質 。在這兒有幾個階段將發生:
太陽風在太陽系 內以超音速 的速度向外傳送。在终端震波處,一種停滯的震波 ,太陽風的速度降低至音速(大約340米/秒)之下,成為次音速 。
一旦低至次音速,太陽風也許會受到周圍的星際物質流影響:壓力導致太陽風在太陽後方形成像彗星的尾巴,這個區域稱為日鞘 (heliosheath)。然而,2009年的科學結果顯示這種模型是不正確的[ 12] [ 13] 。截至2012年,它被認為是充滿了磁性泡泡的泡沫[ 17] 。
日鞘的外層表面,也就是太陽圈與星際物質遭遇的表面,稱為日球層頂 。這是整個太陽圈的邊緣,2009年的科學研究結果調整了這個模型[ 12] [ 13] 。
理論上,當太陽在環繞銀河中心 的軌道上運轉時,日球層頂會在星際物質中造成湍流。在日球層頂的外面,可能會有一個造成壓力增加以抵抗星際物質 的湍流區域。然而,太陽風相對於星際物質的速度可能太低,還不足以形成弓形震波[ 6] 。
終端震波
在洗臉盆的終端震波。
終端震波是在太陽圈內的太陽風因為與當地的星際物質 交互作用,使速度降至次音速 的點(相對於太陽)。這造成壓縮 、加熱、和磁場 中的變化。太陽系的終端震波被認為在距離太陽75至90天文單位 的距離上[ 18] 。航海家一號 在2004年通過太陽 的終端震波,隨後航海家二號 在2007年也通過了[ 1] [ 3] [ 19] [ 20] [ 21] [ 22] [ 23] [ 24] 。
震波是因為從太陽輻射出來的太陽風微粒速度大約是每秒400公里,而聲音的速度(在星際物質)大約是每秒100公里(正確的速度與密度相關,不能忽略其影響)。星際物質的密度雖然很低,不過它的壓力是個恆定的常數;太陽風的壓力則與太陽距離平方成反比的減弱。當距離太陽足夠遠的時候,星際物質的壓力變得足以讓太陽風的速度降低至音速之下,這就會造成震波 。
在地球上也可以看到其他形式的终端激波,例如流水進入水槽中的拍打水槽底部造成的水的躍遷 。在擊中水槽的底部時形成淺的水盤,但水的流速高於該處的波速 ,於是迅速的分流使水滴濺起(類似於稀薄的、超音速的太陽風)。在淺盤的周圍,形成激波前緣或水牆,在激波前緣之外,水的運動速度低於該處的波速(類似於次音速的星際介質)。
從太陽再往外,跟隨在終端震波後的是太陽層頂 (Heliopause),是太陽風的微粒因星際介質而停滯不前之處,然後來自星際介質的弓形震波 通過這些微粒就不再會活躍了。
在2005年5月美國地球物理聯合會 的會議上,艾登·史東 博士以航海家1號 太空船在2004年12月,距離太陽94天文單位處磁場讀數的變化做為證據,證明它通過了終端震波。相對的,航海家2號 在2006年5月,距離太陽只有76天文單位處,開始偵測到返回太陽系的微粒。這暗示了太陽層頂的外形可能是不規則的,在北半球是向外凸起的,而南半球則受到向內的擠壓。[ 25]
星際邊界探險號 (IBEX)任務將企圖收集更多太陽系的終端震波資料。
日鞘
日鞘 是太陽圈的終端震波外面的區域,太陽風在此處因為與星際介質的交互作用,因而減速、壓縮和產生湍流。此處與太陽最接近的距離大約在80至100天文單位;然而,日鞘的形狀在空間中像彗星的彗髮 ,尾跡在相對於太陽運動的路徑上,會比朝向太陽運動的方向長了數倍。在它的迎風面,厚度估計在10至100天文單位之間[ 26] 。航海家1號 和航海家2號 目前的任務就包括對日鞘的研究。
在2005年5月,NASA宣稱航海家1號 已經在2004年12月,距離太陽94天文單位,進入日鞘。稍早的報告,在2002年8月(距離85天文單位)現在已經被認為是不成熟的看法。
日球層頂
日球層頂 是太陽圈和太陽系外的星際介質的邊界。當太陽風接近太陽層頂,他的速度突然減緩並形成震波 ,太陽風的終端震波 。
日球層頂是太陽 的太陽風 被星際物質 阻止的理論邊界;太陽風的強度已經不足以擊退周圍恆星的恆星風 。這是星際物質和太陽風壓平衡的邊界。太陽風帶電粒子溫度的急遽下降,磁場方向的變化、銀河宇宙射線數量的增加,預示著日球層頂與星際物質的交會。在2012年5月,航海家1號 探測到這種宇宙射線迅速增加(在一個月內增加了9%,而之前從2009年1月到2012年1月只逐漸增加25%),這表明它正在接近日球層頂[ 10] 。在2012年8月底至9月初,航海家1號 的太陽質子數量急遽下降,從8月下旬的每秒25個粒子下降到10月初的每秒2個粒子。在2013年9月,美國國家航空暨太空總署宣布:截至2012年8月25日,航海家1號 已經越過了日球層頂[ 11] 。這個距離是121天文單位(180億公里)[ 27] 。與預測相反,航海家1號 的數據顯示銀河系的磁場與太陽磁場是匹配的[ 28] 。
"..太陽風和星際物質的相互作用,形成一個稱為日鞘的內天體區域,內側的邊界是終端震波,外緣是日球層頂。"-NASA
[ 29]
另一種可供選擇的定義是:太陽層頂是太陽系磁場 的磁層頂 和銀河系的電漿流交會之處。
太空船的探測
在日鞘 中的航海家一號。
精確的日鞘形狀和距離迄今仍不能決定,行星際太空船 ,像先驱者10号 、先驱者11号 、旅行者1号 和旅行者2号 都朝向太陽系的邊緣前進,最終都將穿越日球層頂。
在2005年5月,航海家一號 被宣佈已經在2004年12月,在85天文單位 的距離上越過終端震波 進入日鞘 。在相對方向上的航海家二號 ,在2006年5月當她距離太陽只有76天文單位時,因為偵測到返回的微粒,也被認為越過了終端震波 。這暗示太陽圈的形狀也許是不規則的,在太陽的北半球向外凸起,而南半球被向內擠壓[ 30] 。
藝術家想像下,在長蛇座 R 的弓形激波。
相關條目
註解
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參考資料與延伸讀物
外部連結