來聆聽NASA“旅行者”捕捉到的怪異星際空間聲音

據外媒報道,直到最近,歷史上的每一艘航天器都是在我們的日球層內進行測量的,日球層是被太陽膨脹起來的磁泡。但在2012年8月25日,NASA的“旅行者1號”改變了這一情況。當它穿過日球層的邊界時,它成為了第一個進入並測量星際空間的人造物體。

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“旅行者1號”的星際之旅已經進行了8年,對其數據的仔細聆聽讓人們對這片邊疆有了新的了解。

如果說我們的日球層是一艘航行在星際水域的船,那麼“旅行者1號”就是一艘剛剛從甲板上落下的救生筏,它決心去調查洋流。目前,它感受到的任何洶湧的“海水”主要都來自於太陽層的尾流。但在更遠的地方,它能感受到來自宇宙深處的擾動。最終,我們的日球層將從它的測量中完全消失。

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“可以說,對於旅行者號需要走多遠才能開始看到更純凈的星際水,我們有一些想法,”紐約伊薩卡市康奈爾大學博士生、旅行者號團隊的最新成員Stella Ocker說道,“但我們不完全確定何時能達到這一點。”

Ocker的新研究於周一發表在《Nature Astronomy》上,其報告了可能是首次對星際空間中物質密度的連續測量。Ocker表示:“這次探測為我們提供了一種測量星際空間密度的新方法並為我們探索非常近的星際介質的結構開闢了一條新途徑。”

當描繪恆星之間的物質時–天文學家稱之為“星際介質”,人們會想到一種粒子和輻射的分散湯–一個平靜、安靜、寧靜的環境。而這將是一個錯誤。

“我用過‘靜止的星際介質’這個詞–但你可以找到很多不是特別靜止的地方,”康奈爾大學的空間物理學家、論文的合著者Jim Cordes指出。

跟海洋一樣,星際介質充滿了洶湧的波浪。最大的一個來自於我們星系的旋轉,產生於空間對着自己攪動時併產生跨越幾十光年的波動。較小的波(實際上仍很大)從超新星爆炸中湧出,從一個波峰延伸到另一個波峰,綿延數十億英里。最小的波紋通常來自我們自己的太陽,其產生於太陽爆發時,它發出的衝擊波穿過空間然後滲透到我們的日球層。

這些碰撞波揭示了關於星際介質密度的線索–這個值影響着我們對日球層形狀、恆星如何形成甚至我們在銀河系中的位置的理解。當這些波在空間中迴響時,它們會振動它們周圍的電子,這些電子則會以特定的頻率發出,這取決於它們擠在一起的程度。音調越高電子密度就越高。“旅行者1號”的等離子波子系統–包括兩個伸出在飛船後面30英尺(10米)長的“兔子耳朵”天線–就是為了聽到這種聲音而設計的。

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2012年11月,在離開日球層三個月後,“旅行者1號”第一次聽到了星際聲音。六個月後,另一個“哨聲”出現–這次聲音更大、音調更高。星際介質似乎變得越來越厚,而且速度很快。

在今天旅行者號的數據中,這些瞬間的哨聲以不規則的間隔持續着。它們是研究星際介質密度的極好方法,但確實需要一些耐心。Ocker稱:“它們一年只被發現一次,所以依靠這些偶然事件意味着我們繪製的星際空間密度地圖有點稀疏。”

現在,Ocker他們開始尋求一種星際中密度的運行測量方法來填補這些空白–一種不依賴於太陽偶爾傳播出來的衝擊波的方法。在對“旅行者1號”的數據進行篩選、尋找微弱但一致的信號后,她發現了一個很有希望的候選信號。2017年年中,就在又一次哨聲響起的時候,這種情況開始增多。

“它實際上是一個單一的音調,”Ocker說道,“隨着時間的推移,我們確實聽到了它的變化,但頻率的移動方式告訴我們密度是如何變化的。”

來聆聽NASA“旅行者”捕捉到的怪異星際空間聲音

Ocker稱這種新信號為等離子體波發射,它似乎也能追蹤星際空間的密度。當數據中出現突然的哨聲時,發射信號的音調也隨之上升或下降。該信號也類似於在地球上層大氣中觀察到的信號,眾所周知,該信號可以追蹤那裡的電子密度。

“這真的很令人興奮,因為我們能夠定期對很長一段空間的密度進行採樣,這是我們目前所擁有的最長一段空間。這為我們提供了旅行者所看到的最完整的密度和星際介質地圖,”Ocker說道。

根據該信號,“旅行者1號”周圍的電子密度從2013年開始上升,到2015年年中左右達到目前的水平,在這一期間,密度增加了約40倍。在他們分析的到2020年初結束的整個數據集中,宇宙飛船似乎處於類似的密度範圍,不過有一些波動。

現在,Ocker和她的同事們正試圖建立一個等離子體波是如何產生的物理模型,這將是解釋等離子體波的關鍵。與此同時,“旅行者1號”的等離子波子系統不斷將數據發回離地球越來越遠的地方,在那裡,每一項新發現都有可能讓我們重新想象我們在宇宙中的家園。