我們生活在一個泡泡裡——真的是字面意義上的泡泡。
它被稱為太陽圈，由來自太陽的稀薄等離子體構成。這種電離氣體沿著從我們恆星發出的磁場線向外流動，以與太陽自轉相關的徑向螺旋形式展開。從真正意義上講，冒險超越太陽風減弱、與貫穿我們星系的更強大的等離子體流抗衡的地方，就等於離開了我們的太陽系。
然而，儘管人們早在 20 世紀 50 年代末就已瞭解並研究了太陽圈，但其模糊的邊界只是在相對較近的時間才被揭示出來——並帶來了一個令人驚訝的發現。僅僅十多年前，NASA 的“旅行者 1 號”發回的資料表明，它最終已離開太陽圈進入星際空間。但一項測量結果不符合預期：如果探測器確實已穿越邊界，螺旋磁場本應變直，但事實並非如此。
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“回想起來，應該存在一個過渡區，星際磁場在那裡堆積並覆蓋在太陽圈上，這很合理，”旅行者任務副專案科學家、普林斯頓大學空間物理學家傑米·蘭金說。
這種“覆蓋”效應類似於水流在船頭周圍和沿著船舷堆積，直至船尾。正如這種波紋狀尾跡可以揭示船的輪廓一樣，當我們的太陽穿過銀河系時，星際磁場圍繞太陽圈的彎曲可以為太陽系與銀河系其餘部分之間的氣泡狀邊界的大小和形狀提供重要的線索。但這種覆蓋究竟是什麼樣子，以及它是如何讓位於原始星際介質的，這些仍然是懸而未決的問題——直到現在。
在最近發表在《天體物理學雜誌快報》上的一項研究中，蘭金及其研究團隊彙集了來自“旅行者”雙子探測器的獨立測量資料以及來自 NASA 的星際邊界探測器 (IBEX) 的太陽圈-星際邊界模型（IBEX 是 2008 年發射的地球軌道衛星），首次清晰地描繪了覆蓋區域的影像。
“旅行者”號的優勢在於它們直接測量磁場以及磁場如何隨著探測器遠離太陽而變化。但“旅行者”號僅沿其軌跡對磁場進行取樣，對氣泡不斷變化的邊界提供了一種狹隘的視角。另一方面，IBEX 透過探測太陽風粒子和星際介質粒子在太陽圈邊界碰撞產生的帶電原子陣雨，提供了“全域性”視角。這些資料可以遠端檢視整個天空的氣泡表面，但沒有關鍵的相對距離測量資料。
此圖顯示了 NASA 的“旅行者 1 號”和“旅行者 2 號”探測器在太陽系太陽圈之外的位置。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
問題在於這兩組資料集不一致。沿著它們的外行軌跡，“旅行者”號現在在區域性測量的磁場強度高於且偏離了根據 IBEX 對更遠處未覆蓋的磁場的遠端全天空觀測推斷出的值。協調來自如此不同的任務的結果有點像試圖拼湊兩組拼圖碎片。“關於為什麼‘旅行者’號的資料與 IBEX 不匹配，已經進行了很多討論，”法國圖盧茲大學的天體物理學家卡蒂婭·費雷爾說，她沒有參與這項研究。
在論文中，研究人員展示了 IBEX 模型和“旅行者”號的測量結果實際上講述了一個一致的故事。沿著“旅行者 1 號”的軌跡，結果表明，磁場強度和方向（即太陽圈邊緣周圍的“覆蓋”）將在未來 60 年內持續存在，這相當於探測器再行駛 200 億英里，然後最終到達 IBEX 預測的“未覆蓋”星際磁場。應用於來自“旅行者 2 號”的資料，分析表明，這艘探測器必須比它的雙胞胎探測器多飛行兩倍的距離才能逃脫太陽圈過渡區堆積的磁場——大約 120 年的旅程。
“[這些結果]描繪了一幅完整的圖景，”費雷爾說——儘管未來的任務仍然可以對其進行補充。
為此，NASA 正在計劃在 2025 年發射 IBEX 的某種後繼者：“星際測繪和加速探測器 (IMAP)”。IMAP 將生成更高解析度的太陽圈全球結構圖，並將與正在進行的“旅行者”號測量重疊，研究人員希望這些測量能在未來十年內繼續進行，儘管兩個“旅行者”號的功率都極其低。
“這些測量的結合將提供對太陽圈與區域性星際介質相互作用的最佳理解，”該研究的合著者、普林斯頓大學空間物理學家、IBEX 和 IMAP 任務的首席研究員大衛·麥科馬斯說。
一個未來的星際任務，以繼續“旅行者 1 號”和“旅行者 2 號”未完成的事業，也可能進一步闡明太陽圈的複雜形狀。
“向側面發射一個探測器可以很好地瞭解氣泡在區域性風方向和人們談論存在尾狀結構的反方向上的樣子，”星際探測器任務概念研究的首席研究員、約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室空間物理學家拉爾夫·麥克納特說。
蘭金及其團隊的研究結果表明，朝向太陽圈左舷側翼的磁場堆積較少，這意味著，與另一側較厚的覆蓋層相比，探測器穿過這個過渡區可以更快地進入原始星際空間。
獲取未受干擾的星際磁場的樣本也有助於繪製我們太陽系周圍星際氣體和塵埃雲的分佈和形狀，例如太陽圈目前正在穿越的本星際雲 (LIC)。星際雲也會在移動時拉伸和扭曲周圍的磁場。
“太陽圈的總體形狀受其在本星際雲中運動的控制，但其確切形狀也取決於周圍的磁場，”費雷爾說。
雖然繪製我們的氣泡和周圍環境圖譜仍有工作要做，但蘭金及其團隊的研究表明了將遠端衛星和原位探測器測量結合起來的力量。
“這項研究的全部意義在於連線我們已經測量的東西，以理解我們在星系中的位置的更大圖景，”蘭金說。