彗星形？圓形？牛角形？太陽系邊界 3D 圖首度繪製

太陽圈是由太陽風形成的防護罩，保護著地球和太陽系免受高能星際輻射轟炸，物理模型多年來一直試圖重建太陽圈邊界，現在科學家終於首度繪製出完整的太陽圈邊界 3D 圖。

太陽圈（Heliosphere）是指太陽引力在太空的支配範圍，也就是太陽風在星際介質內吹出的氣泡，主要由質子、電子和 α 粒子流組成，一直抵抗著來自銀河系的氫氦氣體及有害輻射侵入。

而太陽圈的邊界稱為日球層頂（Heliopause），在這裡，往星際空間推進的太陽風與朝太陽推進的星際風互相發生碰撞，動力學相當複雜，可再細分為終端震波（日球層頂的內側邊界）、日鞘（日球層頂與終端震波的中間區域）與弓形震波（日球層頂之外）。此外，日球層頂形狀並不規則，就像我們的肺一樣會隨著呼吸收縮膨脹，日球層頂也會跟著太陽週期變化。

▲ 太陽圈與太陽系邊界。（Source：NASA, Public domain, via Wikimedia Commons）

科學界對日球層頂形狀有兩派看法，主流認為應該形如彗星，另一種則認為像圓形泡泡，還有少數模型做出看起來更奇怪的牛角麵包形狀。

現在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室團隊利用 NASA 的星際邊界探測器（Interstellar Boundary Explorer，IBEX），收集 2009～ 2019 年整個太陽週期的數據，首度繪製出完整的太陽圈邊界 3D 地圖。

研究團隊採取類似蝙蝠聲納的技術，測量各方向太陽風粒子與星際風粒子碰撞所產生的高能中性原子（energetic neutral atom，ENA），以訊號發送及接收的時間差來繪製出日球層頂形狀與距離，而訊號強度取決於碰撞時太陽風的強度——就像地球上的風有大有小一樣，太陽風也有強有弱。

透過新的 3D 圖，我們可以看到太陽系邊界形狀確實更像彗星，尾部延伸了至少 350 個天文單位長（IBEX 目前探測極限），儘管事實上尾巴長度無法測量，它也可能又短又粗；另一方面，到日光層頂「尖端」的最短距離介於 110～120 個天文單位，與航海者號穿越的數據一致。

總之，日球層頂形狀更像彗星或子彈，就是和牛角麵包模型完全不一致。

▲ 太陽圈與邊界全景圖。（Source：洛斯阿拉莫斯國家實驗室）

IBEX 壽命預計至少能延續到 2025 年，而星際測繪與加速探測器（Interstellar Mapping and Acceleration Probe，IMAP）則預計 2024 年發射升空，接替 IBEX 繼續研究高能粒子的加速機制、太陽風與星際介質如何互作用。

團隊希望這 2 個任務最終能提供更多數據，以協助更完善日球層頂的形狀。新論文發表在《天文物理期刊》（Astrophysical Journal）。

• We Have The First-Ever 3D Map of Our Solar System's Heliosphere, And It's Amazing

• Scientists have mapped the boundary of the heliosphere for the first time

（首圖來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室）