由波士顿大学天体物理学家 Merav Opher 领导的多机构天体物理学家团队在我们对塑造太阳系周围保护气泡的宇宙力的理解方面取得了突破性发现被太空研究人员称为日光层。

天体物理学家相信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的影响，超新星是整个宇宙垂死恒星的最后爆炸。他们相信日光层远远超出了我们的太阳系，但尽管日光层为地球的生命形式提供了对宇宙辐射的巨大缓冲，但没有人真正知道日光层的形状——或者就此而言，它的大小。

“这与社会有什么关系?太阳产生的围绕我们的气泡提供了免受银河宇宙射线的保护，它的形状会影响这些射线进入日光层的方式，”大学的天体物理学家詹姆斯·德雷克说与奥弗合作的马里兰州。“有很多理论，但是，当然，银河宇宙射线进入的方式会受到日光层结构的影响——它是否有皱纹和褶皱之类的东西?”

Opher 的团队基于建立在可观测数据和理论天体物理学上的模型，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，艺术与科学学院的天文学教授 Opher 领导着 NASA DRIVE(多样性、实现、整合、风险、教育)科学中心，该中心得到了 NASA 130 万美元的资金支持。该团队由 Opher 从其他 11 所大学和研究机构招募的专家组成，开发日球层的预测模型，该团队将其称为 SHIELD(具有氢离子交换和大规模动力学的太阳风)。

自从 BU 的 NASA DRIVE 科学中心于 2019 年首次获得资助以来，Opher 的 SHIELD 团队一直在寻找几个令人困惑的问题的答案：日球层的整体结构是什么?它的电离粒子如何演化并影响日光层过程?日光层如何相互作用并影响星际介质、恒星之间存在的物质和辐射?宇宙射线是如何被日光层过滤或传输的?

“SHIELD 结合理论、建模和观察来构建综合模型，”Opher 说。“所有这些不同的组成部分共同帮助理解日球层的谜团。”

现在，Opher 及其合作者在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文表明，从太阳系外部流出的中性氢粒子很可能在我们日球层的形成过程中发挥着至关重要的作用。

在他们的最新研究中，Opher 的团队想了解为什么日光层喷流——与整个宇宙中发现的其他类型的宇宙喷流相似的盛开的能量和物质柱——变得不稳定。“为什么恒星和黑洞——以及我们自己的太阳——会喷射不稳定的喷流?” 奥弗说。“我们看到这些喷流呈不规则的柱状，[天体物理学家]多年来一直想知道为什么这些形状会呈现不稳定性。”

由 BU 天体物理学家 Merav Opher 领导的新研究可以解释为什么日光层(一种从我们的太阳发出并包围我们的太阳系的保护性磁“力场”)可能不稳定且形状不规则。“宇宙并不安静，”奥弗说。“我们的 BU 模型并没有试图消除混乱。” 图片来源：Merav Opher 等。阿尔

类似地，SHIELD 模型预测，与太阳同步运行并环绕太阳系的日光层似乎并不稳定。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绘成彗星状，喷流——或“尾巴”——在其身后流动。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一个甜甜圈。

原因是什么?中性氢粒子，之所以这么叫，是因为它们具有等量的正负电荷，根本不带任何电荷。

“它们穿过太阳系，”奥弗说。使用像食谱这样的计算模型来测试“中性”对日光层形状的影响，她“从蛋糕中取出一种成分——中性——并注意到来自太阳的射流，塑造了日光层，变成超级稳定。当我把它们放回去时，东西开始弯曲，中心轴开始摆动，这意味着日光层射流内部的某些东西变得非常不稳定。”

理论上，这样的不稳定性会导致太阳风和喷流的扰动，从而导致日光层的形状分裂成羊角面包状。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，但奥弗的模型表明，中性星撞击我们的太阳系会使日光层无法像射击彗星一样均匀流动。有一件事是肯定的——中立者肯定会在太空中飞奔。

新研究的合著者德雷克说，奥弗的模型“为日光层的形状在北部和南部地区分裂的原因提供了第一个明确的解释，这可能会影响我们对银河宇宙射线如何进入地球和附近地区的理解。 -地球环境。” 这可能会影响辐射对地球上的生命以及太空中的宇航员或未来试图前往火星或其他行星的先驱者构成的威胁。

“宇宙并不安静，”奥弗说。“我们的 BU 模型并没有试图消除混乱，这让我能够查明[日球层不稳定的] 原因......。中性氢粒子。”

具体来说，中性粒子与日球层的碰撞引发了物理学家众所周知的现象，称为瑞利-泰勒不稳定性，当两种不同密度的材料碰撞时，较轻的材料会推动较重的材料，就会发生这种现象。当油悬浮在水面以上时，当较重的流体或材料悬浮在较轻的流体上时，就会发生这种情况。重力起到了一定的作用，并产生了一些非常不规则的形状。在宇宙喷流的情况下，中性氢粒子和带电离子之间的阻力产生了与重力类似的效果。例如，在著名的马头星云中看到的“手指”就是由瑞利-泰勒不稳定性引起的。

“这一发现是一个真正的重大突破，它确实让我们朝着发现为什么我们的模型有其独特的羊角面包形状的日球层而其他模型没有的方向前进，”奥弗说。