引言
太阳系被一个巨大的等离子体气泡——日球层所包裹，它由太阳向外流出的太阳风形成。这个保护盾偏转了来自星际介质的大部分宇宙辐射，保护着其中的行星。当我们的太阳系绕银河系运行时，日球层在运动方向形成一个圆形的“鼻部”，后方拖曳着“尾部”。科学家们对其形状存在争议——有人想象为彗星状，有人则认为是羊角面包形。日球层的边界是动态的，在太阳活动极大期膨胀，在太阳活动极小期收缩，以响应太阳条件的变化。
西南研究院（SwRI）的研究人员正在开发预测模型，以确定终止激波——日球层的外边界——沿NASA新视野号航天器轨迹的位置。这项研究以两篇论文形式发表在《天体物理学杂志》和《空间研究进展》上，旨在预测新视野号何时穿越这一关键边界进入星际空间，继旅行者1号和2号的历史性旅程之后。
日球层及其边界
日球层是由太阳风膨胀形成的磁性和等离子体气泡，太阳风从太阳超音速流出，直到遇到星际介质。终止激波是太阳风从超音速减速到亚音速的区域，标志着外日球层的第一个等离子体边界。其外是湍流的日鞘，最后是日球层顶，太阳风在此让位于星际等离子体。理解这些边界对于太空探索以及研究我们的恒星与银河系之间的相互作用至关重要。
SwRI的研究将太阳风预测方法与解析和数值日球层模型相结合，预测新视野号飞行方向上终止激波的位置。该方法利用星际边界探测器（IBEX）和太阳与日球层天文台（SOHO）等航天器的数据，监测太阳风条件并模拟其向外日球层的传播。
新视野号在冥王星之外的旅程
在2015年历史性地飞越冥王星后，新视野号于2019年1月1日成为首个探索柯伊伯带天体（KBO）——Arrokoth的航天器。对这个接触双星的研究提供了关于早期太阳系的宝贵数据。此后，探测器继续向外飞行，追随先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号和旅行者2号的脚步——这些是仅有的人造物体进入星际空间。新视野号目前正沿着穿越终止激波的轨迹飞行，研究人员渴望为这一里程碑做好准备。
SwRI博士后研究员、研究首席作者Jonathan Gasser博士强调了时机的重要性：“我们想了解航天器何时到达终止激波，以便准备进行测量。”太阳风预测方法使团队能够提前数年预测太阳风压力变化，这些变化直接影响日球层的形状和激波的位置。
方法：预测太阳风与模拟日球层
SwRI团队开发了一种技术，利用近地航天器的太阳风数据预测外日球层的条件。通过分析太阳风速度和密度的周期性模式，他们可以预测向外传播的压力变化。然后将这些预测输入日球层的解析和数值模型，模拟太阳风与星际介质之间的相互作用。
解析模型提供了简化但快速的终止激波距离估计，而数值模型提供了更详细的三维模拟。结合两者使研究人员能够交叉验证预测并提高准确性。模型考虑了太阳活动周期，该周期导致日球层在11年周期内膨胀和收缩。在太阳活动极大期，增加的太阳风压力将终止激波推得更远；在太阳活动极小期，它向内移动。
对未来任务的影响
这项研究不仅有利于新视野号，也有利于未来旨在探索日球层和星际介质的任务。拟议中的任务如星际探测器将飞得更远，提供边界区域的直接测量。准确预测终止激波位置对于规划观测和确保仪器校准并准备好捕捉过渡至关重要。
此外，理解日球层动力学对天体生物学和行星科学具有重要意义。日球层保护太阳系免受银河宇宙射线的影响，这些射线可能影响行星大气和潜在生命。通过研究日球层随时间的变化，科学家可以更好地评估其他恒星周围系外行星的宜居性。
结论
SwRI开发的太阳风预测方法标志着预测新视野号何时进入星际空间的重要一步。通过将观测数据与先进模型相结合，研究人员正在揭开日球层最外层边界的神秘面纱。随着新视野号继续其史诗般的旅程，它有望提供关于太阳系与银河系之间前沿的前所未有的见解。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com
