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  所谓行星际空间是人类太空探测飞出地球空间进入的下一层空间,也是太阳系深空探测以及进入系外星际空间探测的必经之路。行星际空间中的物质成分、动力学演化、及其相互耦合关系,是一个有意思的命题。行星际空间作为储存原初太阳系星云并孕育出太阳系的空间场所,在太阳系形成至今45亿年的当下仍然见证着太阳系广袤空间中丰富的演化过程。


行星际空间无时无刻、无处不在地刮着时速高达百万公里以上的超声速风(涂传诒等, 2021)。这种超声速风是从高达百万度的炙热太阳大气里吹出来的,故名为太阳风。太阳风带走太阳的物质和角动量,冲压太阳系的各类天体,产生各种丰富有趣的现象(比如岩石的空间风化、土壤的元素沉积、行星的空间天气等),将邻近星际物质的大部分排除在一百多个日地天文单位距离以远的日球层边界之外。2018年美国宇航局以帕克先生为名发射“帕克太阳探针”(PSP),目标是经过七次金星借力逐步逆风而行,进入内太阳系的深处,抵达太阳风起源的地方,去触摸阿尔芬层以里的太阳日冕大气 (Fox et al., 2016)。


在行星际空间中,除了太阳风磁化等离子体,还遍布大小不一的运动尘埃粒子。太阳系尘埃,是太阳系天体的基本构成要素,也是行星际深空探测的主要对象之一。针对长周期彗星及其所释放的尘埃粒子的探测,对于认识太阳系起源的原初物质成分至关重要,成为太阳系深空探测的重要组成部分 (Glassmeier et al., 2007)。尘埃不是一成不变的,其在行星际空间中是不断地产生和不断地损耗,所以当今太阳系尘埃盘和太阳系形成初期的尘埃盘相比已经面目全非(特别是内太阳系的尘埃盘不到百万年就要更新一次)。因而侵入内太阳系的小天体(跨地球轨道)被认为是维持内太阳系尘埃盘存续至今的重要物质来源 (Mann et al., 2004)。不同粒径大小的尘埃在行星际空间中受到不同类型力的主要作用,粒径大(微米以上)的尘埃轨道逐渐向太阳迁移,而粒径。ㄑ俏⒚祝┑某景T蚧嵩独胩粝蛱粝当呒柿骼。


侵入内太阳系的小天体,因为受到太阳和太阳风的显著影响而变得非常活跃乃至产生壮观景象,成为探究太阳系演化的一个重要窗口。冰质小天体(彗星)在侵入内太阳系时内部受热冰升华喷气同时驱离大量粉尘,为遥感和原位观测原初太阳系物质成分提供无需钻探开采的便利条件。喷气形成的电离气体,为太阳风的改变和重新塑造提供系内物质来源。在太阳系的演化过程中,两个天体之间的相互碰撞是令人叹为观止的现象(如1994年的Shoemaker-Levy 9号彗星撞向木星)。除了撞向行星之外,有些彗星的近日点离太阳足够近,也会撞向太阳这颗宿主恒星。这种类似“飞蛾扑火”扑向太阳的彗星,被称为掠日彗星。然而由于太阳光照导致背景杂散光太强,经常淹没掠日彗星的反照太阳光的信号,针对掠日彗星的监测发现,直到天基日冕仪的出现才引来爆发式的发展。


作为飞行在内太阳系的旗舰人造天体,帕克太阳探针在服役期间是否有机会飞掠侵入内太阳系的自然小天体(彗星或小行星)?如果有飞掠机会,能否近距离遥感拍照一睹小天体在近日点相位的活跃面貌,以及能否在太阳风的原位探测中识别释放出来的气体和尘埃?侵入内太阳系小天体演化到什么样的状态?掠日彗星撞击太阳日冕,冲击太阳磁化大气,又会发生什么样的过程?


带着这些问题,九州KU游最新登录何建森课题组和合作者,开始针对内日球层行星际空间中“风尘冰石”奇缘的探索历程。他们对国际天文学会(IAU)小天体数据库的星历和帕克太阳探针的星历,进行全面比对评估,搜寻到一颗编号为322P的彗星有幸和帕克太阳探针交会 (He et al., 2021)。进一步计算发现,交会发生于322P刚过近日点不久,帕克太阳探针也正处于第三轨近日点附近。这次交会是发生在水星轨道以里的自然小天体和人造天体的首次交会。322P彗星是SOHO飞船利用LASCO天基日冕仪发现第一批短周期彗星,然而当时只能是远远地:乜醋。相比之下,这次交会的距离则只有一个日地天文单位的40分之一。


在交会发生前,为了从物理上更加深入认识322P彗星在其轨道近日点附近所可能发生的过程,何建森课题组与合作者发展建立了彗星尘埃粒子的动力学模型、彗星尘埃与太阳风相互作用的磁流体力学模型。他们模拟仿真了不同粒径尘埃粒子在近日点附近释放的运动轨迹演化,展示了亚微米尘埃粒子快速远离太阳的运动过程。而且他们还模拟预测了彗星在三个不同活动水平下,尘埃等离子体对背景太阳风的质量加载、动量减速偏转等改变性影响。


在交会发生后,通过进一步分析LASCO日冕仪和WISPR日球层成像仪等有效载荷的白光遥感观测结果以及FIELDS电磁场等原位测量结果,何建森等得到322P彗星在近日点附近的质量释放率/损失率不高于2吨每秒的结论。这比传统的彗星靠近太阳的活动水平要低很多,所以作者推测322P彗星应该不是一颗传统的彗星,而是处于向岩石性彗星演化的阶段,其内部的冰质物应该已经大部分已经升华耗。粝麓蟛糠值目赡苁悄讶鄣墓杷嵫挝镏。这样的结果和推论促进了对太阳系中短周期彗星的演化历史的认识。


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-1. 九州KU游最新登录帕克太阳探针(PSP)322P彗星在内水星轨道区域的交会研究。(a & b)分别是LASCO-C2C3日冕仪观测到的322P彗星的运动的痕迹。(c & d) 针对322P彗星释放不同粒径大小的尘埃粒子受力和运动的模拟仿真。(e & f) 针对322P彗星尘埃等离子体与背景初生太阳风相互作用的磁流体力学模拟结果。(图修改自He et al. (2021)


九州KU游最新登录少数掠过太阳大气而幸存下来的掠日彗星(比如C/2011 W3掠日彗星),针对其无尘区的形成机制和喷气氧离子的动力学过程,何建森课题组开展相应的研究 (Hou, He, et al., 2021)。他们在太阳日冕磁流体力学模拟的基础上,加入两种带电粒子(尘埃粒子和氧离子),分别模拟尘埃带电粒子和氧离子从彗星释放后在日冕中的受力和运动过程。研究发现日冕磁场普遍存在的磁镜结构,能够在日心距离2个太阳半径的地方有效反射尘埃粒子,使得尘埃粒子还没完全熔融热解就受力反弹,从而形成无尘区。针对氧离子的导心运动的模拟表明,氧离子的导心漂移运动在日冕环境中主要由太阳风源区的电场漂移占主导,而磁场不均匀性的梯度漂移和曲率漂移则是次要的。由此,作者提供一个建议,即可以利用掠日彗星的彗尾变形来推测日冕磁场拓扑形态的改变。


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-2. 编号为C/2011 W3掠日彗星低空掠过太阳光球表面免遭撞击幸存下来。该彗星释放的尘埃粒子受太阳风源区日冕磁场镜像结构的作用反弹,对太阳附近无尘区的形成有贡献作用。(图引自Hou, He, et al. (2021))


总而言之,内太阳系的行星际空间,是一个初生太阳风猛吹的区域,一个粉尘相对聚集甚至可能发生粉尘暴的区域,也是一个见证侵入内太阳系小天体显著活动演化的区域。其中的“风尘冰石”奇缘,还有很多留待更深入的探索和揭秘。比如初生太阳风的湍动如何从亚阿尔芬湍动演变成超阿尔芬湍动?比如粉尘暴是否频繁发生,为何发生,对航天器有何撞击风险?比如是否有更多小的彗星和小行星在目前有限分辨率的日冕仪和日球层成像仪的眼皮底下,隐藏于内日球的行星际空间中?这些问题是内太阳系探测和研究值得考虑思索的有趣问题。


针对太阳、日球层及其行星际小天体等进行探测任务规划与实施,成为国际各主要力量开展深空探测的主要目标之一。欧洲航天局在2015-2025的宇宙憧憬 (Cosmic Vision) 规划周期里立项实施了M级别的太阳轨道器任务 (Solar Orbiter) F级别的彗星拦截器计划 (Interceptor)。九州KU游最新登录彗星和小行星的探测已经列入我国的航天任务中,计划在2026年完成近地小行星2016HO3的采样返回,2032年飞抵主带彗星311P进行环绕探测。九州KU游最新登录太阳和日球层的立体探测,也作为我国空间探索任务规划的设想之一(王赤等, 2022)。


参考文献:

1. 涂传诒、宗秋刚、何建森、田晖、王玲华 (2021). 日地空间物理学(第二版)上册—日球层物理,科学出版社.

2. Fox, N. J., Velli, M. C., Bale, S. D., Decker, R., Driesman, A., Howard, R. A., ... & Szabo, A. (2016). The solar probe plus mission: humanitys first visit to our star. Space Science Reviews, 204(1), 7-48.

3. Glassmeier, K. H., Boehnhardt, H., Koschny, D., Kührt, E., & Richter, I. (2007). The Rosetta mission: flying towards the origin of the solar system. Space Science Reviews, 128(1), 1-21.

4. Mann, I., Kimura, H., Biesecker, D. A., Tsurutani, B. T., Grün, E., McKibben, R. B., ... & Lamy, P. (2004). Dust near the Sun. Space science reviews, 110(3), 269-305.

5. He, J., Cui, B., Yang, L., Hou, C., Zhang, L., Ip, W. H., ... & Malaspina, D. M. (2021). The Encounter of the Parker Solar Probe and a Comet-like Object Near the Sun: Model Predictions and Measurements. The Astrophysical Journal, 910(1), 7.

6. Hou, C., He, J., Zhang, L., Wang, Y., & Duan, D. (2021). Dynamics of the charged particles released from a sungrazing comet in the solar corona. Earth and Planetary Physics, 5(3), 232-238.

7. 王赤, 时蓬, 宋婷婷, 魏海燕, 王琴, 范全林 (2022). 远航2050:欧洲空间科学规划及启示,科技导报,40(4): 6-15.


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