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航天探测器在探索了两年的彗星上,发现了“弓形激波”早期的迹象

一项新的研究显示,与第一印象相反,罗塞塔确实在它探索了两年的彗星上发现了“弓形激波”的迹象——这是在太阳系任何地方首次看到的形成。

弓形激波是什么?

是太阳风与行星的磁层顶相遇处形成的激波。一个已经被深入研究的例子是太阳风与地球磁场相遇时形成的弓形激波。地球的弓形激波距离地球大约9万公里,厚度大约只有17公里

弓形激波的判别条件是此处流体的整体速度从超音速降低到亚音速以下。

太阳风中的带电粒子沿着螺旋性的轨迹沿磁力线运动,它们围绕磁力线的运动类似于普通气体当中的热运动,平均热运动的速度近似为声速。在弓形激波处整体速度降低到粒子围绕磁力线的运动速度以下。

2014年至2016年,欧洲航天局的罗塞塔(Rosetta)探测器对67P/Churyumov-Gerasimenko彗星及其附近环境进行了近距离和远距离的研究。在彗星到达其轨道上离太阳最近的点之前和之后,它都曾数次直接穿过“弓形激波”,这为收集这片迷人空间的现场测量数据提供了一个独特的机会。

航天探测器在探索了两年的彗星上,发现了“弓形激波”早期的迹象

彗星为科学家研究太阳系中的等离子体提供了一种非凡的方法。等离子体是一种由带电粒子组成的热的气态物质,在太阳系中以太阳风的形式存在:不断有粒子流从我们的恒星涌向太空。

当超音速太阳风经过其路径上的物体,如行星或较小的天体时,它首先遇到一个称为弓形激波的边界。正如其名所示,这种现象在某种程度上类似于轮船船头在破浪前进时形成的波浪。彗星周围也发现了弓形激波——哈雷彗星就是一个很好的例子。当介质与周围环境相互作用时,等离子体现象会发生变化,随着时间的推移,等离子体会改变结构(如弓形激波)的大小、形状和性质。

罗塞塔在两年的任务中一直在寻找这一特征的迹象,并在离67P彗星中心1500多公里的地方冒险寻找围绕这颗彗星的大型边界,但显然一无所获。

“我们希望找到一个典型的弓形激波区域,远离这颗彗星的彗核,但没有任何发现。赫伯特说Gunell皇家比利时空间高层大气物理学研究所,比利时,瑞典于默奥大学的两位科学家领导了这项研究。

“然而这次,看起来飞船确实发现了一个弓形激波,但它还处于形成的早期。”在一项新的数据分析中,我们最终发现它距离彗星核心的距离是之前的50倍。它的移动方式也出乎我们的意料,所以一开始我们并没有发现它。

航天探测器在探索了两年的彗星上,发现了“弓形激波”早期的迹象

“我们寻找一种典型的弓形激波区域我们希望找到一个,远离这颗彗星的彗核,但没有发现任何,后来我们在2015年3月7日,当彗星距离太阳的距离是地球的两倍多,并朝向太阳时,罗塞塔数据显示弓形激波开始形成的迹象。同样的指标在2016年2月24日从太阳返回地球的途中也出现了。这个边界被观察到是不对称的,比在其他彗星上观察到的完全成形的弓形激波要宽。

“在罗塞塔之前,从来没有人捕捉到围绕彗星的弓形激波发展的早期阶段,”来自德国布劳恩施韦格地球物理和外星物理研究所的联合领导Charlotte Goetz说。

“我们在2015年的数据中发现的初期的弓形激波,在彗星接近太阳并变得更加活跃时,将会进化成一个完全成形的弓形激波——但当初我们在罗塞塔号的数据中没有看到这一点,因为当时飞船太接近67P彗星,无法探测到成形的弓形激波。”

赫伯特、夏洛特和同事们研究了罗塞塔等离子体协会(Rosetta Plasma Consortium)的数据。罗塞塔等离子体协会是一套由五个不同传感器组成的仪器,用于研究67P彗星周围的等离子体。他们将这些数据与等离子体模型结合起来,模拟了彗星与太阳风的相互作用,并确定了弓形激波的性质。

科学家们发现,当形成的弓形激波冲刷罗塞塔时,彗星的磁场变得更强、更湍流,在激波本身的区域产生并加热高能带电粒子的爆发。在此之前,粒子的移动速度较慢,太阳风一般较弱——这表明罗塞塔号是弓形激波的“上游”。

航天探测器在探索了两年的彗星上,发现了“弓形激波”早期的迹象

欧洲航天局罗塞塔号项目科学家马特·泰勒说:“这些观测结果是第一次弓形激波完全形成之前的观测结果,其独特之处在于,这些观测结果是在彗星的位置上收集到的,而且激波本身也是独一无二的。”

这一发现也突出了多仪器测量和模拟相结合的优点。也许用一个数据集解决一个谜题是不可能的,但当你把这些研究的多个线索都整合到一起的时候,结果就会变得更清晰,对我们的太阳系复杂的动态进行更深入的了解,像67P彗星一样

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