地空学院何建森课题组与合作者探索恒星星球层成像的新方法

　　

北京大学地球与空间科学学院何建森教授课题组联合国内外合作者，提出了一种探测并成像其他恒星周围“星球层（astrosphere）”的新方法。这项技术将帮助我们更深入地了解围绕恒星、保护整个恒星系统免受严酷星际环境影响的巨大气体泡泡——星球层。相关成果近日发表于The Astrophysical Journal Letters。

人类生活在一个由太阳吹出的巨大宇宙气泡中，这个气泡被称为日球层（heliosphere）。它由太阳释放出的等离子体流——太阳风——以及太阳磁场共同维持。日球层之外是充满高能宇宙射线的星际介质，这是一个极其恶劣的环境。因此，日球层就像一道天然屏障，保护着太阳系中的各个行星免受星际环境的侵袭。

太阳风从太阳不断向外流动，先逐渐加速，随后在星际介质的作用下减速。当太阳风与星际介质相互作用时，会形成激波结构，在那里太阳等离子体和星际介质彼此抗衡。然而，日球层究竟呈现怎样的大小和形状，至今仍没有定论。不同的理论模型预测出了截然不同的结构，尤其是在日球层延伸至远方的尾部区域。有的模型预测它像一颗子弹，有的预测它像一个牛角面包（croissant），还有的则预测更接近一个土豆。人类对我们自身所处的日球层的边界及其大小形状认知是如此的狭隘、如此的充满悬念，如同苏东坡先生所云“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。究其原因，一方面是人类目前的深空星际航行的能力还远远不够，只有旅行者1号&2号飞船穿越日球层边界并传回科学探测数据，没能更多次的跨越作为“行星际空间和星际空间的交界之门”的日球层边界；另一方面是人类的空间望远镜无法置身日球层外的星际空间，遥望探秘日球层边界的全貌。

除了太阳之外，其他恒星同样会通过恒星风吹出属于自己的巨大气泡，这些气泡被称为星球层（astrosphere）。研究不同类型、不同时期恒星的星球层不仅能够帮助我们了解恒星周围的环境、评估行星是否适宜居住，还能够为揭示太阳早期的演化历史提供重要线索。由于人类无法从太阳系外部直接观测日球层，因此，科学家们也希望通过研究遥远恒星周围的星球层，来推断我们自己的日球层究竟是什么样子。

那么，我们如何观测这些星球层呢？

在夜空中，恒星看起来只是一个个明亮的白色光点。然而，借助哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）等大型空间望远镜，科学家们有机会来详细分析恒星及其周围区域发出的光。其中，利用中性氢原子产生的特殊辐射——莱曼阿尔法（Lyα）辐射——可以探测恒星的星球层。

在终止激波下游的内鞘层中，经激波减速的恒星风离子与被加速的拾起离子，同穿越边界渗入星球层的星际中性氢原子发生电荷交换，形成环绕恒星、呈全球分布的能量中性原子。而在星球层顶外侧的外鞘层区域，经弓激波减速压缩的星际介质离子，与可自由穿越等离子体边界的星际中性氢原子发生共振电荷交换，生成次级中性氢原子，在弓激波内侧的外鞘层源区聚集，形成被称作 “氢墙（hydrogen wall）” 的中性氢高密度层结构。这些中性氢原子会吸收来自恒星的Lyα辐射，并再次发射出去，从而在恒星周围形成相应的发光结构。通过绘制Lyα辐射的成像和成谱的信号，并结合光线传播过程中受到的吸收效应，有望反演重建星球层的结构。

图1：莱曼阿尔法辐射从星球层穿过星际空间和日球层传播至地球空间的示意图

研究团队基于三维多流体的磁流体力学数值模型和空间望远镜的配置参数，开发了一套前向模拟算法，用于模拟仿真恒星星球层产生的这种莱曼阿尔法辐射的成像和成谱特征。研究发现，在考虑多重削弱因素之后，恒星星球层产生的莱曼阿尔法辐射仍然能够超过天文望远镜如哈勃望远镜的观测极限。

图2：星球层数值模型及其在哈勃空间望远镜下的模拟观测图像

研究团队还考察了不同观测方向和不同星际介质相对速度条件下，星球层Lyα辐射图像会如何变化。结果表明，观测几何对信号强弱和成像的空间形态有显著影响。当视线方向从迎风侧、侧向到星尾方向变化时，氢墙在图像中的成像形态和位置会发生明显改变；而当恒星与星际介质沿视线方向的相对速度较大时，星际介质吸收与星球层辐射在谱线上更容易分离，因而更有利于保留可探测信号。

这项研究提出了一种利用哈勃空间望远镜观测恒星星球层、进而检验太阳日球层真实形状的新方法。研究论证的这一新的观测能力不仅为研究恒星周围的大尺度环境打开了一扇新的窗口，也有望帮助我们更加深入地认识自身所处的太阳系环境。这项研究也受到了比利时媒体De Morgen、Het Nieuwsblad、Gazet van Antwerpen和Het Belang van Limburg的报道。

北京大学地球与空间科学学院2022级博士研究生吴子祺是本论文的第一作者。该研究由北京大学地球与空间科学学院和比利时鲁汶大学数学系及天文系合作完成。该研究得到了中国国家自然科学基金、中国国家留学基金委、国家重点研发计划、中国国家航天局和比利时政府Methusalem计划的资助。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7369/meta