太阳后院的宇宙飞船揭开星际尘埃的起源


科学家使用来自">美国国家航空航天局帕克太阳探测器已经组装了迄今为止最完整的内部结构和行为的空间尘埃云,被称为黄道带云,在整个太阳系旋转。他们在云中发现了三种尘埃种群。大多数颗粒被慢慢地拉向太阳(阿尔法流星体);第二种是在漩涡云中的颗粒碰撞时产生的,产生的碎片非常小,以至于它们在阳光的压力下被从各个方向推出太阳系(beta流星体);第三种可能是由彗星碎片组成的“管”与前两种彗星的颗粒相撞形成的,它们以独特的楔形分散开来。图片来源:迈克·巴克利动画,约翰霍普金斯大学/美国宇航局应用物理实验室

流星和宇航员安全有什么共同之处?

两者都来自于在整个太阳系中发现的亚微观岩石碎片,有时被称为行星际尘埃。

当这些粒子与地球大气层相撞时,它们就会产生流星,也就是人们熟知的流星,因为(通常情况下)微小的碎片会蒸发,在空气中留下燃烧的痕迹。当它们与宇航员相撞时,会在宇航服上撞出洞——或者更糟。因此,了解这种星际尘埃的来源和模式对NASA来说非常重要,因为它正在计划登月任务,">火星和超越。

在绕太阳公转的过程中帕克太阳探测器飞船,任务开始了比太空历史上任何东西都更接近太阳,都受到这些尘埃粒子的轰击。当撞击宇宙飞船时,这些微小的颗粒——有些只有万分之一毫米宽——蒸发并释放出带电粒子云,FIELDS是一套用于探测电场和磁场的仪器。

本周发表在《行星科学杂志》上的两篇论文利用FIELDS的数据近距离观察了“黄道带云”,这是这些微小粒子的统称。

“每个太阳系都有一个黄道带云,我们实际上可以探索我们的太阳系,了解它是如何工作的,”普林斯顿天体物理科学副研究学者、其中一篇论文的主要作者杰米·萨拉伊(Jamey Szalay)说。“了解我们的黄道带云的演化和动力学,将使我们更好地了解我们在其他太阳系看到的每一个黄道带观测。”

黄道带云以一种肉眼可以看到的方式散射阳光,但只有在非常黑暗、晴朗的夜晚,因为月光或城市的光都很容易超过它。黄道带云在太阳附近最厚,在太阳系边缘最薄,肉眼看起来很平滑,但红外波长显示出明亮的条纹和缎带,可以追溯到它们的来源:彗星和小行星。

有了帕克的前六个轨道的数据,再加上内太阳系粒子运动的计算机模型,Szalay和他的同事解开了这些条纹和缎带,揭示了黄道带中两种不同的尘埃种群:这些微小的颗粒在数千到数百万年的时间里一直非常缓慢地盘旋着朝向太阳,被称为阿尔法流星体;然后,随着漩涡云的密度越来越大,较大的颗粒相互碰撞,产生越来越小的碎片,被称为beta流星体,这些碎片随后被来自阳光的压力推离太阳。

是的,阳光。

而且还不止一点点。Szalay说:“当碎片变得足够小时,辐射压力——太阳光——实际上足够强大,足以把它吹出太阳系。”

“在地球和火星之间的区域,专门的航天器灰尘测量多次报告了这种微小颗粒的存在,但从未在太阳系内部报告过,那里被认为是这些颗粒的起源,”马克斯·普朗克太阳系研究所黄道带尘埃专家、萨拉伊论文的合著者哈拉尔德·Krüger说。“因此,FIELDS仪器提供了一个新的窗口来研究这些受太阳光驱动的尘埃颗粒接近它们的源区域。”

FIELDS还检测到一种狭窄的粒子流,这些粒子流似乎是从一个离散的来源释放出来的,在黄道带尘埃云中形成了一个微妙的结构。为了理解这第三种成分,Szalay回顾了黄道带尘埃的起源:彗星和小行星。

彗星是一种充满尘埃的雪球,沿着长长的椭圆形轨道在我们的太阳系中运行,当它们离太阳足够近,开始蒸发它们的冰和干冰时,会喷射出大量的尘埃。小行星,或大或小的岩石,在火星和木星当它们相互碰撞时,会释放出灰尘。这些谷物在任何方向打,但大多数的轨道被困在他们的父母的身体,Szalay解释说,这意味着在成千上万的轨道,一颗彗星的轨道变得更像是一个比一个空的碎石路路径与一个闪亮的orb和明亮的轨迹。(经过数百万个轨道后,这些颗粒会分散到轨道之外,并融合进黄道带背景云中。)

Szalay将这些布满灰尘的路径称为彗星或小行星碎片的“管”。“如果地球在任何地方穿过这个管道,我们就会看到流星雨,”他说。

他推测帕克太阳探测器可能穿过了其中一个。他说:“也许有一个密度很大的管子,我们只能通过帕克飞过并被它喷砂的方式观察到。”

但是离帕克路径最近的管道似乎没有足够的材料来引起数据峰值。因此Szalay提出了另一种理论。也许其中一个流星体管——最有可能的是每年12月引起地球上最强烈流星雨之一的双子座流星雨——正以高速撞击黄道带内部云层。管状星云和黄道带尘埃之间的碰撞可能会产生大量的β流星体,它们不会向任意方向发射,而是集中在一组狭窄的路径中。

“我们称之为‘beta流’,这是对该领域的新贡献,”Szalay说。“这些beta流预计是所有环绕恒星的行星盘的基本物理过程。”

“这篇文章的一个重要方面是,帕克太阳探测器是第一个接近太阳的航天器,它可以穿透相互粒子碰撞最频繁的区域,”Petr Pokorný说,他是美国国家航空航天局和美国天主教大学的黄道带云建模师,也是Szalay论文的合著者。“相互粒子碰撞不仅在我们的太阳系中很重要,在所有太阳系外系统中都很重要。这篇文章为建模社区提供了一个独特的视角来了解这个之前未知的领域。”

“帕克实际上经历了它自己的流星雨,”Szalay说。“它要么是通过其中一根材料管,要么是通过beta流。”

当时在科罗拉多大学博尔德分校读本科的安娜·普萨克也发现了这条小溪。“我在我的数据中看到了这种楔形的形状,我的顾问戴维·马拉斯皮纳建议我把这项研究报告给杰米,”她说。楔形的形状似乎表明一种强烈的喷射,或者杰米在他的新模型中称之为“beta流”,小颗粒以非常直接的方式撞击宇宙飞船。这对我来说是不可思议的,把我分析的数据和在这个国家的另一边做的理论工作联系起来。对于一位年轻的科学家来说,这真的激发了合作工作的所有兴奋和可能性。”

Pusack是与Szalay联合发表的论文的主要作者。“这些文件确实是密切相关的,”她说。“数据支持模型,模型帮助解释数据。”

“这对我们理解黄道带云、更广泛的近太阳尘埃环境以及美国宇航局帕克太阳探测器任务的尘埃风险,是一个巨大的贡献,”大卫·麦克马斯说,他是一名天体物理学教授普林斯顿大学普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory)副总裁,他是帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)上的另一个仪器isʘis的首席研究员,以及即将进行的星际绘图和加速探测器(IMAP)任务的首席研究员。

引用:

J.R. Szalay, P. Pokorný, D.M. Malaspina, A. Pusack, S.D. Bale, K. Battams, L.C. Gasque, K. Goetz, H. Krüger, D.J. McComas, N.A. Schwadron和P. Strub, 2021年9月9日,行星科学杂志
DOI: 10.3847 / PSJ / abf928

“帕克太阳探测器探测到的尘埃方向性和异常星际尘埃群”,A. Pusack, D.M. Malaspina, J.R. Szalay, S.D. Bale, K. Goetz, R.J. MacDowall和M. Pulupa, 2021年9月9日,行星科学杂志
DOI: 10.3847 / PSJ / ac0bb9

这项研究得到了NASA (NNN06AA01C, 80NSSC21K0153)和欧洲航天局(4000106316/12/NL/AF - IMEX)的支持。

帕克太阳探测器上的FIELDS实验是根据NASA合同NNN06AA01C设计和开发的。

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