日光層是太陽形成的宇宙氣泡，保護我們的太陽系免受星際威脅並影響生命的進化。儘管它起著至關重要的作用，但它的真實形狀仍然是一個謎，旅行者號任務的數據暗示了它的複雜性。即將到來的星際探測器旨在揭示更多關於這個神秘區域的資訊。

藝術家描繪的日光層，即太陽在太空中的影響區域。人們對日光層的實際形狀知之甚少。圖片來源：NASA 戈達德太空飛行中心概念影像實驗室

太陽的作用不僅是使地球變暖，使地球適合人類和動物居住。它也塑造了廣闊的太空區域。這個區域被稱為日光層，其延伸範圍是太陽與地球之間距離的一百多倍，影響著其中的一切。

作為一顆恆星，太陽不斷發射出一股帶電粒子流，稱為太陽風，這是向四面八方擴散的能量等離子體流。除了這種穩定的風之外，太陽偶爾會釋放出強大的等離子體爆發，稱為日冕物質拋射，這可能導致地球上出現極光，以及強烈的能量爆發，稱為太陽耀斑。

隨著太陽風的膨脹，太陽磁場隨之而來，形成了日光層。這個巨大的氣泡存在於當地的星際介質中，星際介質是充滿恆星之間空間的等離子體、中性粒子和塵埃的混合物。包括我這樣的太陽物理學家在內的科學家都在研究日光層如何與這種星際環境相互作用。

星際探測器任務將成為迄今為止最遠的任務，超越旅行者號和新視野號探測器。圖片來源：NASA/JHUAPL

太陽系中的所有行星（包括八大行星、火星和木星之間的小行星帶，以及海王星以外的柯伊伯帶，冥王星的位置）都存在於日光層內。這個保護性氣泡非常大，以至於柯伊伯帶中的物體距離太陽的距離也比距離日光層最近的邊界更近。

當遙遠的恆星爆炸時，它們會以高能量粒子（即宇宙射線）的形式向星際空間釋放大量輻射。這些宇宙射線對生物體有害，並可能損壞電子設備和太空船。

地球大氣層保護地球上的生命免受宇宙輻射的影響，但在此之前，日光層本身就充當著抵禦大多數星際輻射的宇宙屏障。

除了宇宙輻射，中性粒子和塵埃也穩定地從當地星際介質流入日光層。這些粒子會影響地球周圍的空間，甚至可能改變太陽風到達地球的方式。

超新星和星際介質也可能影響了地球上生命的起源和人類的演化。一些研究人員預測，數百萬年前，日球層與星際介質中寒冷、緻密的粒子雲接觸，導致日球層收縮，使地球暴露在當地的星際介質中。

但科學家並不真正了解日光層的形狀。模型的形狀從球形到彗星形再到羊角麵包形不等。這些預測的大小相差數百倍到數千倍，相當於太陽與地球之間的距離。

然而，科學家將太陽移動的方向定義為「鼻」向，將太陽移動的反方向定義為「尾」向。鼻向到日球層頂（日球層與當地星際介質之間的邊界）的距離最短。

到目前為止，還沒有探測器從外部對日球層進行過良好的觀測，也沒有對當地星際介質進行適當的採樣。這樣做可以讓科學家更了解日球層的形狀及其與當地星際介質（日球層以外的太空環境）的相互作用。

這張圖顯示了NASA 的「旅行者1 號」和「旅行者2 號」探測器的位置，它們位於日光層之外，日光層是太陽產生的保護性氣泡，延伸到冥王星軌道的很遠處。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

1977年，美國太空總署發射了「旅行者號」任務：它的兩艘太空船飛越了外太陽系的木星、土星、天王星和海王星。科學家確定，在觀測了這些氣態巨行星後，兩艘探測器分別於2012年和2018年穿越了日球層頂，進入了星際空間。

雖然旅行者1 號和2 號是唯一可能穿越日球層頂的探測器，但它們的預期任務壽命已遠遠超出。由於儀器逐漸失效或斷電，它們無法再返回必要的數據。

這些太空船的設計初衷是研究行星，而不是星際介質。這意味著它們沒有合適的儀器來對星際介質或日光層進行科學家所需的所有測量。

這就是潛在的星際探測器任務發揮作用的地方。設計用於飛越日球層頂的探測器將幫助科學家透過從外部觀察來了解日球層。

由於日光層非常大，即使借助木星等巨大行星的引力，探測器也需要幾十年的時間才能到達邊界。

旅行者號太空船在星際探測器離開日光層之前很久就無法再提供星際空間的資料。而探測器發射後，根據軌跡，需要大約50 年或更長時間才能到達星際介質。這意味著NASA 等待發射探測器的時間越長，科學家就越長時間無法在外日光層或本地星際介質中執行任務。

美國太空總署正在考慮開發一個星際探測器。該探測器將測量星際介質中的等離子體和磁場，並從外部對日光層進行成像。為了做好準備，美國太空總署就任務概念徵求了1，000 多名科學家的意見。

初步報告建議偵測器沿著與日球層頭部方向約45 度的軌道飛行。這條軌道將重現旅行者號的部分路徑，同時到達一些新的太空區域。這樣，科學家就可以研究新區域並重訪一些部分已知的太空區域。

這條路徑會讓探測器只能部分傾斜地觀察日光層，而且無法看到科學家們了解最少的區域——日光尾。

在日球尾中，科學家預測，構成日球層的等離子體將與構成星際介質的等離子體混合。這是透過稱為磁重聯的過程發生的，該過程允許帶電粒子從本地星際介質流入日球層。就像透過鼻子進入的中性粒子一樣，這些粒子會影響日球層內的太空環境。

但在這種情況下，粒子帶電，可以與太陽和行星磁場相互作用。雖然這些相互作用發生在日球層邊界，距離地球很遠，但它們會影響日球層內部的組成。在《天文學與太空科學前沿》雜誌發表的一項研究中，我和同事評估了從頭部到尾部的六個潛在發射方向。我們發現，與靠近頭部方向的發射相比，沿著與日球層側面相交的軌跡朝向尾部方向更能讓人更好地觀察日球層的形狀。

沿著這個方向飛行的軌跡將為科學家提供一個獨特的機會來研究日球層內一個全新的空間區域。當探測器離開日球層進入星際空間時，它將從外部以一定的角度觀察日球層，這將使科學家對其形狀有更詳細的了解——尤其是在有爭議的尾部區域。

最終，無論星際探測器向哪個方向發射，它所帶回的科學成果都將是無價的，甚至是天文數字。

作者為密西根大學氣候與太空科學與工程研究員Sarah A. Spitzer。

改編自最初發表在《對話》雜誌上的一篇文章。