日光层阻挡了许多宇宙射线（在这张动画图像中显示为明亮的条纹）到达我们太阳系的行星。（图片来源：uux.cn美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室）

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Sarah A.Spitzer）：这篇文章最初发表在The Conversation上。该出版物为Space.com的《专家之声：观点与见解》撰稿。Sarah Spitzer是密歇根大学气候与空间科学与工程系的研究员。

太阳使地球变暖，使其适合人类和动物居住。但这并不是它的全部作用，它会影响更大的空间区域。日光层，即受太阳影响的空间区域，比太阳到地球的距离大一百倍以上。

太阳是一颗恒星，它不断发出稳定的等离子体流——高能电离气体——称为太阳风。除了持续的太阳风外，太阳偶尔还会释放出称为日冕物质抛射的等离子体爆发，这可能会导致极光，以及称为耀斑的光和能量爆发。

来自太阳的等离子体与太阳磁场一起在太空中膨胀。它们在周围的局部星际介质中共同形成了日光层——等离子体、中性粒子和尘埃，填充了恒星与其各自的天球之间的空间。像我这样的太阳物理学家想了解日光层以及它如何与星际介质相互作用。

太阳系中已知的八颗行星，火星和木星之间的小行星带，以及柯伊伯带——海王星以外的天体带，包括小行星冥王星——都位于日光层内。日光层如此之大，以至于柯伊伯带中的物体比日光层最近的边界更靠近太阳。

艺术家对日光层及其在当地星际介质和银河系中的位置的描绘。星际探测器可以比以前的任何航天器走得更远，并帮助科学家从外部很好地观察我们的日光层——太阳在太空中的影响。（图片来源：uux.cn/JHU/APL）

日光层保护

当遥远的恒星爆炸时，它们会以被称为宇宙射线的高能粒子的形式向星际空间发射大量辐射。这些宇宙射线可能对生物体构成危险，并可能损坏电子设备和航天器。

地球大气层保护地球上的生命免受宇宙辐射的影响，但在此之前，日光层本身就充当了抵御大多数星际辐射的宇宙屏障。

除了宇宙辐射，中性粒子和尘埃也从当地的星际介质稳定地流入日光层。这些粒子会影响地球周围的空间，甚至可能改变太阳风到达地球的方式。

超新星和星际介质也可能影响了地球上生命的起源和人类的进化。一些研究人员预测，数百万年前，日光层与星际介质中的冷而致密的粒子云接触，导致日光层收缩，使地球暴露在当地的星际介质中。

未知形状

但科学家们并不真正知道日光层的形状。模型的形状从球形到彗星状再到牛角面包状。这些预测的大小是太阳到地球距离的数百到数千倍。

然而，科学家们已经将太阳运动的方向定义为“鼻”方向，将相反的方向定义为由“尾”方向。鼻向应该与日光层顶（日光层和当地星际介质之间的边界）有最短的距离。

一位艺术家对日光层的描绘——其真实形状仍然未知。添加了太阳、日球顶和鼻尾方向的标签，以及侧翼方向的示例。据信，旅行者号探测器在长达数十年的旅程中已经越过了日光层。（图片来源：uux.cn/NASA/JPL加州理工学院）

从来没有一个探测器能够从外部很好地观察到日光层，也没有对当地的星际介质进行过适当的采样。这样做可以告诉科学家更多关于日光层的形状及其与当地星际介质的相互作用，即日光层以外的空间环境。

乘坐旅行者号穿越日光层顶

1977年，美国国家航空航天局发射了旅行者号任务：它的两艘航天器飞越了外太阳系的木星、土星、天王星和海王星。科学家们已经确定，在观测到这些气态巨行星后，探测器分别于2012年和2018年穿越了日光层顶并进入了星际空间。

虽然旅行者1号和2号是唯一有可能穿越日光层顶的探测器，但它们远远超出了预期的任务寿命。由于仪器缓慢故障或断电，他们无法再返回必要的数据。

这些航天器的设计目的是研究行星，而不是星际介质。这意味着他们没有合适的仪器来测量科学家所需的星际介质或日光层。

这就是潜在的星际探测任务可能发挥作用的地方。一个设计用于飞越日光层顶的探测器将通过从外部观察来帮助科学家了解日光层。

星际探测器

由于日光层如此之大，即使使用木星等大型行星的重力辅助，探测器也需要几十年才能到达边界。

旅行者号宇宙飞船将不再能够在星际探测器离开日光层之前很久就提供来自星际空间的数据。一旦探测器发射，根据轨道的不同，到达星际介质大约需要50年或更长时间。这意味着，美国国家航空航天局等待发射探测器的时间越长，科学家们在外日光层或当地星际介质中没有任务的时间就越长。

美国国家航空航天局正在考虑开发一种星际探测器。该探测器将测量星际介质中的等离子体和磁场，并从外部对日光层进行成像。为了做好准备，美国国家航空航天局就任务概念征求了1000多名科学家的意见。

最初的报告建议探测器在距离日光层机头方向约45度的轨道上行进。这条轨迹将回溯旅行者号的部分路径，同时到达一些新的太空区域。通过这种方式，科学家们可以研究新的区域，并重新访问一些部分已知的太空区域。

这条路径只能让探测器看到日光层的部分角度，而且它无法看到科学家们所知最少的日尾区域。

在日尾，科学家预测，构成日光层的等离子体与构成星际介质的等离子体混合。这是通过一个称为磁重联的过程发生的，该过程允许带电粒子从局部星际介质流入日光层。就像通过鼻子进入的中性粒子一样，这些粒子会影响日光层内的空间环境。

然而，在这种情况下，粒子带有电荷，可以与太阳和行星磁场相互作用。虽然这些相互作用发生在离地球很远的日光层边界，但它们会影响日光层内部的构成。

在《天文学与空间科学前沿》发表的一项新研究中，我和我的同事评估了从鼻子到尾巴的六个潜在发射方向。我们发现，与靠近机头方向离开相比，与日光层侧面朝向尾部方向相交的轨迹将为日光层的形状提供最佳视角。

沿着这个方向的轨迹将为科学家们提供一个独特的机会，研究日光层内一个全新的空间区域。当探测器离开日光层进入星际空间时，它将从外部以一个角度看到日光层，这将使科学家对其形状有更详细的了解，尤其是在有争议的尾部区域。

最后，无论星际探测器向哪个方向发射，它所返回的科学都将是无价的，而且几乎是天文数字。