空间物理漫谈 | 会吹 “泡泡”的星星
原创 大雁
在一个晴朗的夜晚，无论你身处何方，当你仰望夜空，你会看到满天的星星。无论是眨眼的恒星，还是不眨眼的行星，它们看上去都是黑色夜幕上的一个个亮点，因为距离太远了。在这一个个“亮点”之间，就是浩瀚无垠的太空。而事实上，“太空”并不是 “真空”，在每一个亮点周围，几乎都有一个吹出来“泡泡”。几乎每一颗星星，都是会吹“泡泡”的星星。
图1. 2020年8月4日的满月与月亮旁边的木星。作者手机拍摄。
就拿我们所熟知的木星来说吧，除了太阳和月亮，它在夜空中的亮度仅次于金星。当月亮运行到木星身旁，就可以观赏到木星伴月的温馨画面。用手中最普通的手机，可以轻而易举地记录下这种身边的美丽景象。就在2021年4月7日清晨，天刚蒙蒙亮，一弯残月与刚刚相聚又依依而别的土星和木星在东南方微微泛明的天空中相伴而现。虽是一弯残月，但月球圆形的轮廓依稀可辨。这个直径3476公里的圆形球体，在距离我们38万公里的夜空中，就像是一个餐桌上盘子大小的圆盘。而在月亮旁边的木星，则是一个白色亮点。这个白色亮点周围，还有一个由木星的磁场“吹”出来的泡泡，这个泡泡的大小，在地球上看就跟满月的大小差不多。我们来了解一下这个泡泡是怎么吹出来的吧。
图2. 2021年4月7日清晨的双星伴月（图片来源：繁星空间Starry Space，戴明）。
木星是一个快速自转的庞大气体行星，它平均大约10小时就自转一圈，其内部旋转的铁核会产生出强大的磁场，比地球的磁场要强14倍。这么强的磁场，在太阳系中算是数一数二的了，仅次于太阳黑子的磁场。由于木星拥有一个强大的偶极子磁场，而且这样的磁场是浸没在太阳风中的，而太阳风是从太阳表面向外膨胀的电离气体，由于太阳风中的电磁作用，太阳自转产生的磁场被这种以每秒几百甚至上千公里高速流动的等离子体拖拽出来，并且像穿着珠子的绳子一样与珠子一起向外流动。携带着太阳磁场的太阳风在向外流动的过程中，与木星磁场发生相互作用，就像水流或者气流受到了一个物体的阻挡一样，会绕过木星磁场，并且把木星磁场的偶极子“发型”吹得偏向一边，形成了一个太阳风无法进入的区域，这个区域就是我们所说的 “泡泡”，又叫做木星磁层，或者木星磁气圈。太阳风的流动速度虽然很快，但是它的密度与地球上的空气相比还是很微不足道的，所以在强大的木星磁场阻挡下，就乖乖地绕过木星磁气圈，从譬如地球上这样的远处看，木星磁气圈就像木星在太阳风中吹出来的“泡泡”，这个泡泡的大小，就和十五的月亮差不多大小，只不过我们看不见这个“泡泡”而已。
图3. 木星磁气圈示意图（图片来源于网络）。
既然木星会吹“泡泡”，那我们的地球会不会吹“泡泡”呢？答案是肯定的。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。我们身处地球，向外看太空，只能穿越大气层看到满天的繁星，却难以判断地球是不是有个“泡泡”。但是随着人类文明的进步，人类的认知和活动范围也不断加速提升和扩展。由于地球也有一个旋转的地核，地核中有溶化的铁水，这些铁水的旋转产生了和木星一样的内禀磁场。这个来自地球内部的磁场浸没在高速流动的太阳风中，太阳风受到地球磁场的阻挡而绕过地球磁场流动，地球磁场的偶极子“发型”也会被吹歪，而成为一个泪滴状的“泡泡”，这个区域就叫做地球磁层，或者叫做地球磁气圈。太阳风因为受到阻挡而绕过地球磁气圈流动，而不能进入这个“泡泡”， 从而形成了地球的“磁盾牌”。1958年，苏联第一颗人造卫星发射升空，人类进入了太空时代，使人类的好奇心在太空观测中得到了满足。无数的卫星观测事实表明了地球磁气圈的存在，并且不断提高的观测手段使人类探索了关于地球磁气圈的很多方面的知识，并据此认识了人类生存的环境，以及开拓了人类在更广阔空间的活动。同样地，4月7日清晨月亮旁边的另一个亮点——土星，也是具有自身内部旋转而产生的内禀磁场，也因为太阳风受到其阻挡而吹出一个太阳风无法进入的 “泡泡”。太阳系的八大行星，除了没有自身磁场的金星以外，其它行星都有自身的磁场，从而都有这种“吹泡泡”的本领。而金星也因其浓密大气电离而与太阳风相互作用，产生一个感应磁场，感应磁场也能吹出一个“泡泡”，这就是金星的感应磁层。
图4. 浸没在太阳风中的地球磁气圈示意图（图片来源于网络）。
夜空中可以看到的星星，除了少数几颗行星，大部分都是恒星。那么这些恒星能不能吹 “泡泡”呢？说到恒星，我们最容易忽略的就是每天见面的、无法离开的太阳了。太阳是距离我们最近的恒星，也是我们所赖以生存的所有能力和能量的根本源泉。前面也提到了从太阳表面向外膨胀的太阳风，这是一种电离气体。它从太阳表面的日冕层开始在巨大的压力差作用下往外膨胀，目前所知道的八大行星，无论它们运行到各自轨道的什么位置，都浸没在这种高速运动的等离子体里面。根据卫星在太空的观测数据推算，太阳风每秒钟从太阳上带走4.3亿亿大卡的能量，以及160万吨的质量。数字虽大，但这些物质和能量，对于太阳所拥有的庞大身躯来说，是微不足道的。太阳风携带着太阳磁场，以超过声速的步伐急匆匆地往外狂奔，随着它不断远离太阳，流动速度依然执着地缓慢加速，直到太阳和地球平均距离的几十或上百倍的位置处，太阳风因提前感受到了来自恒星际的压力而产生一个终止激波。越过了终止激波，太阳风继续携带磁场向外流动，速度开始逐渐降低。当来自太阳的太阳风与来自更浩渺太空的星际物质相遇，就会像黄河水汇入大海一样，发生两种等离子体的交汇，从而形成一堵很厚很厚的墙，可达几十万、上百万公里，相当于几个太阳半径。到此为止，太阳风终于停下了匆忙的脚步，不再向外膨胀，来自太阳的等离子体物质将不能越过这堵墙而进入恒星际空间。而发源于太阳的磁场，也限制在这堵墙以内。这一堵墙就叫做日球层顶，墙内的区域，就是太阳风所吹出来的 “泡泡”，叫做日球层，或者叫太阳磁圈。在这个太阳磁圈以外，流动着来自恒星际空间的等离子体，称为恒星际风。恒星际风本来也是超音速的流动，但因为受到了太阳磁场的阻挡，在与太阳风交汇前产生一个弓激波。越过激波后，恒星际风减速到音速以下，再与太阳风交汇而形成日球层顶。日球层顶与弓激波之间的区域就称为日球层鞘。太阳吹出来的“泡泡”可以有效阻挡来自遥远太空的高能宇宙线，保护着太阳系里的“孩子们”，为生命演化和文明诞生创造了条件。
图5. 太阳磁气圈示意图（图片来源于NASA，经作者注解）。
作为一个恒星，太阳通过不断向外膨胀等离子体的方式来吹出了一个巨大的“泡泡”，那么其它恒星也和太阳一样，也会吹出来一个个巨大的“泡泡”，只不过这些“泡泡”既不能用肉眼看到，也不能用光学望远镜看到，因为“泡泡”的边界上和内部大部分区域，都没有显著到可以看得见的广泛发光过程。
说到这里，想像一下我们地球上的磁场，虽然看不到，但确实是客观存在的，也是不可或缺的。太空里的“泡泡”，也是这样的磁场与稀薄等离子体支撑起来的。此时此刻，我们可以再次抬头仰望美丽的星空，深邃悠远的夜空里，成千上万颗小星星周围，都有一个空灵而可爱的泡泡。你发现了吗？
作者: 大雁
致谢: 作者感谢中国科学院国家空间中心刘勇研究员的鼎力支持和热情帮助。
