日光层是太阳形成的宇宙气泡，保护我们的太阳系免受星际威胁并影响生命的进化。尽管它起着至关重要的作用，但它的真实形状仍然是一个谜，旅行者号任务的数据暗示了它的复杂性。即将到来的星际探测器旨在揭示更多关于这个神秘区域的信息。
艺术家描绘的日光层，即太阳在太空中的影响区域。人们对日光层的实际形状知之甚少。图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心概念图像实验室
太阳的作用不仅仅是使地球变暖，使地球适合人类和动物居住。它还塑造了广阔的太空区域。这个区域被称为日光层，其延伸范围是太阳与地球之间距离的一百多倍，影响着其中的一切。
作为一颗恒星，太阳不断发射出一股带电粒子流，称为太阳风，这是一种向四面八方扩散的能量等离子体流。除了这种稳定的风之外，太阳偶尔还会释放出强大的等离子体爆发，称为日冕物质抛射，这可能导致地球上出现极光，以及强烈的能量爆发，称为太阳耀斑。
随着太阳风的膨胀，太阳磁场随之而来，形成了日光层。这个巨大的气泡存在于当地的星际介质中，星际介质是充满恒星之间空间的等离子体、中性粒子和尘埃的混合物。包括我这样的太阳物理学家在内的科学家都在研究日光层如何与这种星际环境相互作用。
星际探测器任务将成为迄今为止最远的任务，超越旅行者号和新视野号探测器。图片来源：NASA/JHUAPL
太阳系中的所有行星（包括八大行星、火星和木星之间的小行星带，以及海王星之外的柯伊伯带，冥王星的所在地）都存在于日光层内。这个保护性气泡非常大，以至于柯伊伯带中的物体距离太阳的距离也比距离日光层最近的边界更近。
当遥远的恒星爆炸时，它们会以高能粒子（即宇宙射线）的形式向星际空间释放大量辐射。这些宇宙射线对生物体有害，并可能损坏电子设备和航天器。
地球大气层保护地球上的生命免受宇宙辐射的影响，但在此之前，日光层本身就充当着抵御大多数星际辐射的宇宙屏障。
除了宇宙辐射，中性粒子和尘埃也从当地星际介质稳定地流入日光层。这些粒子会影响地球周围的空间，甚至可能改变太阳风到达地球的方式。
超新星和星际介质可能也影响了地球上生命的起源和人类的进化。一些研究人员预测，数百万年前，日球层与星际介质中寒冷、致密的粒子云接触，导致日球层收缩，使地球暴露在当地的星际介质中。
但科学家并不真正了解日光层的形状。模型的形状从球形到彗星形再到羊角面包形不等。这些预测的大小相差数百倍到数千倍，相当于太阳与地球之间的距离。
然而，科学家将太阳移动的方向定义为“鼻”向，将太阳移动的反方向定义为“尾”向。鼻向到日球层顶（日球层与当地星际介质之间的边界）的距离最短。
迄今为止，还没有探测器从外部对日球层进行过良好的观测，也没有对当地星际介质进行过适当的采样。这样做可以让科学家更多地了解日球层的形状及其与当地星际介质（日球层以外的太空环境）的相互作用。
这幅图显示了 NASA 的“旅行者 1 号”和“旅行者 2 号”探测器的位置，它们位于日光层之外，日光层是太阳产生的保护性气泡，延伸到冥王星轨道的很远处。图片来源：NASA/JPL-Caltech
1977年，美国宇航局发射了“旅行者”号任务：它的两艘航天器飞越了外太阳系的木星、土星、天王星和海王星。科学家确定，在观测了这些气态巨行星后，两艘探测器分别于2012年和2018年穿越了日球层顶，进入了星际空间。
虽然旅行者 1 号和 2 号是唯一可能穿越日球层顶的探测器，但它们的预期任务寿命已远远超出。由于仪器逐渐失效或断电，它们无法再返回必要的数据。
这些航天器的设计初衷是研究行星，而不是星际介质。这意味着它们没有合适的仪器来对星际介质或日光层进行科学家所需的所有测量。
这就是潜在的星际探测器任务发挥作用的地方。设计用于飞越日球层顶的探测器将帮助科学家通过从外部观察来了解日球层。
由于日光层非常大，即使借助木星等巨大行星的引力，探测器也需要几十年的时间才能到达边界。
旅行者号航天器在星际探测器离开日光层之前很久就无法再提供星际空间的数据。而探测器发射后，根据轨迹，需要大约 50 年或更长时间才能到达星际介质。这意味着 NASA 等待发射探测器的时间越长，科学家们就越长时间无法在外日光层或本地星际介质中执行任务。
美国宇航局正在考虑开发一个星际探测器。该探测器将测量星际介质中的等离子体和磁场，并从外部对日光层进行成像。为了做好准备，美国宇航局就任务概念征求了 1，000 多名科学家的意见。
初步报告建议探测器沿与日球层头部方向约 45 度的轨道飞行。该轨道将重现旅行者号的部分路径，同时到达一些新的太空区域。这样，科学家就可以研究新区域并重访一些部分已知的太空区域。
这条路径会让探测器只能部分倾斜地观察日光层，而且无法看到科学家们了解最少的区域——日光尾。
在日球尾中，科学家预测，构成日球层的等离子体将与构成星际介质的等离子体混合。这是通过称为磁重联的过程发生的，该过程允许带电粒子从本地星际介质流入日球层。就像通过鼻子进入的中性粒子一样，这些粒子会影响日球层内的太空环境。
但在这种情况下，粒子带电，可以与太阳和行星磁场相互作用。虽然这些相互作用发生在日球层边界，距离地球很远，但它们会影响日球层内部的构成。在《天文学和空间科学前沿》杂志发表的一项研究中，我和同事评估了从头部到尾部的六个潜在发射方向。我们发现，与靠近头部方向的发射相比，沿着与日球层侧面相交的轨迹朝向尾部方向更能让人更好地观察日球层的形状。
沿着这个方向飞行的轨迹将为科学家提供一个独特的机会来研究日球层内一个全新的空间区域。当探测器离开日球层进入星际空间时，它将从外部以一定的角度观察日球层，这将使科学家对其形状有更详细的了解——尤其是在有争议的尾部区域。
最终，无论星际探测器向哪个方向发射，它所带回的科学成果都将是无价的，甚至是天文数字。
作者为密歇根大学气候与空间科学与工程研究员 Sarah A. Spitzer。
改编自最初发表在《对话》杂志上的一篇文章。
