NASA 新任務揭密：太陽系邊界的終極探索

太陽不僅為地球帶來溫暖，讓這顆星球適宜人類與動物居住，它還塑造了一個廣闊的宇宙區域，稱為「日球層」。這個巨大的泡泡狀結構，範圍超過太陽與地球距離的百倍以上，影響著其內的一切。日球層不僅保護太陽系免受星際威脅，更對生命的演化有著深遠影響。然而，儘管它的重要性不言而喻，其真實形狀至今仍是個謎。透過航海家任務的資料，科學家們窺見了日球層的複雜性，而即將展開的星際探測任務，有望揭開這片神秘區域的更多秘密。

作為一顆恆星，太陽不斷釋放帶電粒子流，稱為「太陽風」。這股由電漿組成的能量流，向四面八方擴散。除了穩定的太陽風，太陽偶爾還會釋放強大的電漿爆發，稱為「日冕物質拋射」，這些現象不僅能在地球上引發極光，還會伴隨著劇烈的太陽閃焰。隨著太陽風的擴張，它攜帶著太陽的磁場，形成了日球層。這個巨大的泡泡存在於「區域性星際介質」中，這是由電漿、中性粒子與塵埃組成的混合物，填充在恆星之間的空間。科學家們，包括像我這樣的日球物理學家，致力於研究日球層如何與這片星際環境互動。

我們太陽系中的一切，包括八大行星、火星與木星之間的小行星帶，以及位於海王星之外的柯伊伯帶（冥王星的所在地），都位於日球層之內。這個保護性的泡泡如此巨大，以至於柯伊伯帶中的天體，距離太陽的距離比距離日球層的邊界還要近。當遙遠的恆星爆炸時，它們會以高能粒子的形式，將大量輻射噴射到星際空間中，這些被稱為「宇宙射線」的粒子，對生物體具有危險性，並可能損壞電子裝置與太空船。雖然地球的大氣層保護了地表生命免受宇宙輻射的影響，但在此之前，日球層本身已經充當了抵禦大多數星際輻射的宇宙屏障。

除了宇宙輻射，中性粒子與塵埃也從區域性星際介質中穩定地流入日球層。這些粒子可能影響地球周圍的空間環境，甚至改變太陽風抵達地球的方式。超新星與星際介質，可能也對地球生命的起源與人類的演化產生了影響。一些研究者推測，數百萬年前，日球層曾與星際介質中的一團冷、密的粒子雲接觸，導致日球層收縮，使地球暴露於區域性星際介質中。

然而，科學家們至今仍無法確定日球層的形狀。模型從球形到彗星狀，再到牛角麵包形，各種預測的尺寸差異巨大，範圍從太陽到地球距離的數百倍到數千倍不等。不過，科學家們已將太陽移動的方向定義為「鼻端方向」，而相反的方向則為「尾端方向」。鼻端方向應是距離「日球層頂」（日球層與區域性星際介質的邊界）最短的位置。

至今，沒有任何探測器能從外部完整觀測日球層，或對區域性星際介質進行適當的取樣。這樣的研究將有助於科學家更深入瞭解日球層的形狀及其與區域性星際介質的互動。1977年，NASA 發射了航海家任務，其兩艘太空船飛越了木星、土星、天王星與海王星。科學家們確認，這兩艘探測器分別於2012年與2018年穿越了日球層頂，進入星際空間。然而，航海家1號與2號已遠超其任務壽命，無法再提供必要的資料，因為它們的儀器正逐漸失效或關閉。這些太空船原本設計用於研究行星，而非星際介質，這意味著它們缺乏必要的儀器來進行科學家所需的完整測量。

這正是未來星際探測任務的價值所在。一個設計用於飛越日球層頂的探測器，將能從外部觀測日球層，幫助科學家更深入瞭解其結構。由於日球層的範圍極大，探測器即使藉助木星等巨大行星的重力助推，也需要數十年才能抵達邊界。航海家太空船在星際探測器離開日球層之前，早已無法提供星際空間的資料。而一旦探測器發射，根據軌道不同，它將需要約50年或更長時間才能抵達星際介質。這意味著，NASA 越晚發射探測器，科學家們將越長時間無法獲得外日球層或區域性星際介質的任務資料。

目前，NASA 正考慮開發一艘星際探測器，用於測量星際介質中的電漿與磁場，並從外部拍攝日球層的影像。為此，NASA 向超過1,000名科學家徵求了任務構想的意見。初步報告建議，探測器應沿著與日球層鼻端方向約45度夾角的軌道飛行。這條軌道將重現航海家部分路徑，同時探索一些新的太空區域。這樣，科學家們既能研究新區域，也能重新探訪部分已知的太空區域。然而，這條路徑只能提供日球層的部分側面視角，無法觀測到科學家們最不瞭解的「日球尾」區域。

在日球尾，科學家們預測，構成日球層的電漿會與星際介質中的電漿混合，這過程稱為「磁重聯」，使帶電粒子從區域性星際介質流入日球層。這些帶電粒子與太陽和行星的磁場互動，雖然這些互動發生在日球層的邊界，距離地球非常遙遠，但它們仍影響著日球層內部的結構。

在《天文學與空間科學前沿》期刊發表的一項研究中，我與同事們評估了從鼻端到尾端的六種潛在發射方向。我們發現，與其從鼻端附近離開，一條穿越日球層側翼並朝向尾端方向的軌道，將能提供對日球層形狀的最佳視角。這條軌道將為科學家們提供一個獨特的機會，探索日球層內的全新區域。當探測器離開日球層進入星際空間時，它將從外部以一個角度觀測日球層，這將幫助科學家更詳細地瞭解其形狀，尤其是在爭議不斷的尾端區域。

無論未來的星際探測器朝哪個方向發射，它所帶回的科學資料都將是無價的，並且真正意義上地拓展我們對宇宙的認知。