SHIELD团队研究太阳系保护性"磁力场"的团队取得突破性进展

2021年12月05日 17:17 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

美国国家航空航天局资助的SHIELD团队的天体物理学家在了解日光层的探索中达到了另一个里程碑。一个总部设在波士顿大学的多机构天体物理学家团队在BU天体物理学家Merav Opher的领导下,在我们对塑造太阳系周围保护性气泡的宇宙力量的理解上取得了突破性发现,这个气泡为地球上的生命提供庇护,被太空研究人员称为日光层。

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天体物理学家认为,日光层保护我们太阳系内的行星免受来自超新星的强大辐射,超新星是整个宇宙中垂死的恒星的最后爆炸。他们认为,日光层远远超出了我们的太阳系,但尽管日光层为地球上的生命形式提供了巨大的宇宙辐射缓冲,没有人真正知道日光层的形状,或者说,它的大小。

Opher的团队根据建立在可观测数据和理论天体物理学基础上的模型,构建了一些最引人注目的日光层计算机模拟。在BU的空间物理中心,哈佛文理学院的天文学教授Opher领导着一个NASA DRIVE(多样性、实现、整合、冒险、教育)科学中心,该中心由130万美元的NASA资金支持。该团队由Opher从其他11所大学和研究机构招募的专家组成,开发日光层的预测模型,该团队称之为SHIELD(太阳风与氢离子交换和大规模动力学)。

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这就是日光层的样子吗?由BU领导的研究表明是这样的。保护我们的太阳系不受致命的宇宙射线伤害的磁性"力场"的大小和形状,长期以来一直被天体物理学家所争论。

自从BU的NASA DRIVE科学中心在2019年首次获得资金以来,Opher的SHIELD团队一直在为几个令人困惑的问题寻找答案。日球层的整体结构是什么?它的电离粒子如何演变并影响日光层的过程?日光层是如何与星际介质(存在于恒星之间的物质和辐射)相互作用和影响的?宇宙射线又是如何被日光层过滤或通过日光层传输的?"SHIELD团队将理论、建模和观测结合起来,建立全面的模型,"Opher说。"所有这些不同的组成部分一起工作,以帮助理解日光层的谜题"。

而现在,Opher和合作者在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文显示,来自太阳系外的中性氢粒子流很可能在我们日光层的形成方式中发挥了关键作用。

在他们的最新研究中,Opher的团队想了解为什么日光层喷流--绽放的能量和物质柱,与整个宇宙中发现的其他类型的宇宙喷流相似--会变得不稳定。"为什么恒星和黑洞以及我们自己的太阳会喷射出不稳定的射流?"奥弗尔说。"我们看到这些射流投射出不规则的柱子,[天体物理学家]多年来一直想知道为什么这些形状会出现不稳定。"

同样,SHIELD模型预测,与我们的太阳同步行进并包括我们太阳系的日光层似乎并不稳定。由其他天体物理学家开发的其他日光层模型倾向于将日光层描述为具有类似彗星的形状,在其身后有一个喷流或"尾"流。相比之下,Opher的模型表明,日光层的形状更像一个羊角面包甚至是一个甜甜圈。

其原因是什么?中性氢粒子,所谓的中性氢粒子是因为它们有等量的正负电荷,从理论上讲,这样的不稳定性将导致太阳风和从我们的太阳发出的射流的干扰,导致日光层分裂其形状--变成一个羊角面包的形式。尽管天体物理学家还没有开发出观察日光层实际形状的方法,但Opher的模型表明,撞向我们太阳系的中子的存在将使日光层不可能像射出的彗星那样均匀流动。有一件事是肯定的--中子肯定在太空中经历了猛烈撞击。

这一模型为日光层的形状在北部和南部地区破裂的原因提供了第一个明确的解释,这影响我们对银河系宇宙射线如何进入地球和近地环境的理解,这与辐射对地球上的生命构成的威胁相关,也会影响到太空中的宇航员或未来试图前往火星或其他星球的先驱者。

"宇宙并不安静,"Opher说。"我们的BU模型并不试图切断混乱,这使我能够准确地找到[日光层不稳定的]原因.... 中性氢粒子"。

具体来说,中性粒子的存在与日光层的碰撞引发了物理学家所熟知的一种现象,称为瑞利-泰勒不稳定性,当两种不同密度的材料发生碰撞时,较轻的材料会对较重的材料产生推力。当石油悬浮在水面上,以及当较重的液体或材料悬浮在较轻的液体上时,就会发生这种情况。重力发挥了作用,并产生了一些疯狂的不规则形状。在宇宙射流的情况下,中性氢粒子和带电离子之间的阻力产生了类似于重力的效果。例如,在著名的马头星云中看到的"手指"正是由瑞利-泰勒不稳定性造成的。

Opher说:"这一发现是一个真正的重大突破,它真正为我们确定了一个方向,即发现为什么我们的模型会得到其独特的羊角形日光层,而其他模型则没有,"。

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