NASA正考虑发射旅行者“三号”
NASA正考虑发射旅行者“三号”
NASA正在考虑发射新的星际探测器，以研究太阳系外围的日球层。这一任务将帮助科学家更好地理解日球层的形状及其与星际介质的相互作用。
作为一颗恒星，太阳持续不断地释放出等离子体——太阳风。偶尔，太阳会突然爆发出大量等离子体，这种现象叫做日冕物质抛射（CME），同时引发极光现象，还会产生太阳耀斑。
太阳产生的等离子体与太阳磁场一起在太空中扩张。它们在周围的星际介质（等离子体、中性粒子和尘埃）中共同形成了日球层。日球层与星际介质的相互作用是现在太阳物理学家们的热议课题之一。
日球层是如此之大，太阳系中已知的八大行星、小行星带以及柯伊伯带（海王星以外的天体带，包括冥王星）都位于日球层内。以至于柯伊伯带中的天体，相比日球层的最近边界，更接近太阳。
太阳及日球层在星际空间中穿梭的概念图
Credit:NASA
太阳系之盾
当遥远的恒星爆炸时，它们会以高能粒子（即宇宙射线）的形式向星际空间释放大量辐射。这些宇宙射线会对生命体造成危害，还会损坏电子设备和航天器。大气层保护地球上的生命免受宇宙辐射的影响，但在此之前，日球层本身就起到了抵御大部分星际辐射的作用。
除了宇宙辐射之外，中性粒子和尘埃也从本地星际介质源源不断地进入日球层。这些粒子会影响地球周围的空间，甚至可能改变太阳风到达地球的方式。
超新星和星际介质也可能影响了地球上生命的起源和人类的进化。一些研究人员预测，数百万年前，日球层与星际介质中的冷致密粒子云接触，导致日球层收缩，使地球暴露在当地的星际介质中。
距今大约两百万年前，先后有两颗距离地球几百光年外的超新星爆发。这正是我们的祖先直立人逐渐从树上转移到地面生活的时期。因此科学家们普遍猜测超新星爆发是否影响了我们祖先的行为模式。
更多相关文献请参考 http://arxiv.org/abs/1605.04926
Image credit： NRAO/AUI/NSF
未知外型
但科学家们并不真正了解日球层的形状。当前预测模型的形状从球形、彗星形到羊角面包形不等，大小也能相差数百到数千个天文单位。
当然科学家们也达成了一些共识。例如把太阳移动的方向定义为 “日头 ”方向，而把相反的方向定义为 “日尾 ”方向。科学家们普遍预测日头方向到日球层边界的距离应该是最短的。
迄今为止，还没有任何探测器能从外部清楚地观察日球层，或对当地星际介质进行适当采样。这样做可以让科学家们更多地了解日球层的形状及其与当地星际介质（日球层以外的空间环境）的相互作用。
正如地球的大气层和磁场在太阳风的笼罩下向着背阳面延展，科学家们猜测日球层的大致形状也会在太阳和星际介质的相对运动下呈彗星状。
Credit: NASA/JPL-Caltech
旅行者项目
1977 年，美国[国家]航天局（以下称“NASA”）开展了旅行者项目： 它的两个航天器依次飞越了外太阳系的木星、土星、天王星和海王星。科学家们已经确定，在对这些气体巨行星进行观测后，探测器分别于 2012 年和 2018 年越过了日球层顶，进入了星际空间。
可惜的是，旅行者探测器已经远远超过了预定的任务寿命。随着仪器慢慢失灵，即使进入了真正的星际空间，它们也无法传回有效的信息。
更何况这些航天器的设计目的是研究行星，而不是星际介质。这意味着它们没有合适的仪器来对星际介质或日球层进行科学家所需的观测。
这就是潜在的星际探测器任务的用武之地。该探测器设计用于飞越日球层，可以帮助科学家从外部观察，从而了解日球层。
图为旅行者1号，2号，以及太阳系的相对位置。最新的星际探测器将计划从距离日球层顶更远的距离对整个日球层的形状进行观测。
Credit: JHU/APL
星际探测器
由于日球层非常大，即使利用木星等大质量行星的引力辅助，探测器也需要数十年才能到达边界。
NASA正在考虑开发一个星际探测器。该探测器将对星际介质中的等离子体和磁场进行测量，并从外部对日球层进行成像。为了做好准备工作，NASA 征求了 1000 多名科学家对任务概念的意见。
最初的报告建议探测器沿着一条偏离日球层鼻端方向约 45 度的轨迹飞行。这条轨道将重走旅行者号的部分路径，同时到达一些新的太空区域。这样，科学家们就可以研究新的区域，并重访部分已知的太空区域。代价是这条路径只能让探测器看到日球层的部分角度，无法看到日尾，而日尾是科学家最不了解的区域。
科学家预测，在日尾方向，构成日球层的等离子体与构成星际介质的等离子体通过一个叫做磁重联的过程混合。它允许带电粒子从本地星际介质流入日球层。就像从日头方向进入的中性粒子一样，这些粒子会影响日球层内的空间环境。
然而，在这种情况下，带电粒子可以与太阳和行星磁场相互作用。尽管这些相互作用发生在日球层的边界，距离地球非常遥远，但它们仍会影响日球层内部的构成。
在发表于《天文学和空间科学前沿》（Frontiers in Astronomy and Space Sciences）的一项新研究中，本文作者萨拉·A·斯皮策和她的同事们评估了从日球头部到尾部的六个潜在发射方向。他们发现，与其在接近日球层头部的方向发射，不如在日球层侧面与日球层尾部方向相交的轨道上发射，这样可以最好地观察日球层的形状。
沿着这个方向的轨迹将为科学家们提供一个研究日球层内全新空间区域的独特机会。当探测器离开日球层进入星际空间时，它将从另一个角度看到日球层，这将使科学家对日球层的形状有一个更详细的了解--特别是在有争议的尾部区域。
综上，无论星际探测器向哪个方向发射，它所送回的科学成果都将是无价之宝。
本文原文来自Phys.org