逆风骑车,速度慢下来不是因为前面有墙,而是每前进一段就被风推回来一点;风越大,你越难维持原来的踏频。低能宇宙线进入太阳系时遇到的正是这种情况:没有一道实体的屏障,只有持续外吹的等离子体和它携带的磁场,一点一点把粒子推回去。太阳风不是风,是等离子体,它推的方式也不是靠力气。
太阳风以约 400 km/s 向外吹,把日球层磁场带到约 120 AU 以外;1 GeV 以下的银河宇宙线在这段路上被散射、对流和绝热减速共同削弱,太阳活动高年与低年之间,1 GeV 处的通量可以差 2 到 5 倍,调制参数约在 400 到 1000 MV 之间摆动。
不是屏蔽,是边走边被散射回去
太阳风是连续外流的等离子体,带着磁场一起走。磁场里布满不规则结构,带电粒子每走一段就被改变方向,路径变成随机游走。
再叠加两件事:外流的太阳风把粒子往外带(对流),粒子逆着膨胀的磁流体前进还要损失能量(绝热减速)。三者合起来,低能粒子能到达内太阳系的比例就被压低了。
帕克螺旋把磁场绕成一条阿基米德螺线
太阳在转,太阳风在吹,两者叠加,磁力线被拉成螺旋形,像旋转喷头洒出的水迹。这就是帕克螺旋。
螺旋结构决定了粒子从哪里进来更容易。沿磁力线方向扩散快,垂直方向慢得多,所以调制是有方向性的,黄道面与极区的表现并不相同。
四种过程一起决定最终通量
对流、扩散、漂移、绝热减速,四项在输运方程里同时出现。漂移尤其有意思:它依赖太阳磁场的整体极性,每隔约 11 年翻转一次。
极性一变,正负电荷粒子的进入效率就互换。这解释了为什么电子与质子的调制幅度会在不同太阳周里对调,也是检验模型的一个硬指标。
旅行者号飞出日球层,给出了边界的位置
旅行者 1 号在 2004 年穿过终止激波,那时距太阳约 94 AU;2012 年越过日球层顶,约 121 AU。旅行者 2 号在 2018 年跟进,约 119 AU。
两台探测器越过边界后,银河宇宙线的计数明显上升,证明日球层确实在起屏蔽作用。但上升的幅度和方式,与简单模型的预期有出入,说明边界附近还有未被完全描述的物理。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 太阳风速度 | 约 400 km/s(300–800) | 行星际探测器长期监测 |
| 终止激波距离 | 约 94 AU | 旅行者 1 号,2004 年 |
| 日球层顶距离 | 约 120 AU | 旅行者 1/2 号,2012/2018 |
| 调制参数 φ | 约 400–1000 MV | 力场近似拟合 |
| 1 GeV 通量变化 | 约 2–5 倍 | 太阳活动高低年之比 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
刚度越大,回旋半径越大,越难被磁场偏转。10 GeV 以上的粒子受调制很弱,100 GeV 以上基本可以忽略。
更少。太阳风更强、磁场更乱,屏蔽更有效。地面中子监测器的计数在太阳活动高年通常处于低位。
银河宇宙线计数上升,低能粒子通量显著增加,同时探测到边界处的磁场增强与等离子体流的变化,直接印证了日球层的存在。
延伸阅读
- Parker, E. N. 1958, Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields, Astrophysical Journal 128, 664
- Stone, E. C. et al. 2013, Voyager 1 Observes Low-Energy Galactic Cosmic Rays in a Region Depleted of Heliospheric Ions, Science 341, 150
- Potgieter, M. S. 2013, Solar Modulation of Cosmic Rays, Living Reviews in Solar Physics 10, 3