“That's here. That's home. That's us.”  -- Carl Edward Sagan

日球层是太阳风等离子体与星际介质作用所形成的区域，是我们家园的家园的家园。

日球层顶是日球层的边界，也是太阳风和星际介质的交接区域。其中，太阳风等离子体温度较高(~10⁵ k)，高于星际介质（~10⁴ k）几十倍。由于压力平衡，日球层顶两侧的密度会陡升相应倍数。沿太阳运动方向，日球层被星际风直接压迫而具鼻端形态；在背离方向，则呈拉长延伸的泪滴形态（图1）。之前对星际介质的认识极为有限，就连最基本的日球层顶位置都很不确定，可从几十AU不确定到几百AU（天文单位，太阳到地球的平均距离，~1.5亿公里）。

图1. 日球层（heliosphere）与星际介质（interstellar media）作用及日球层整体结构图示（取自网络与Gurnett et al., 1993, Science），由中心向外，主要客体或结构有：太阳、终止激波（termination或terminal shock）及其鞘区（heliosheath）、日球层顶（heliosheath）、星际介质、可能存在的舷首激波（bow shock）等。右图还显示了与射电辐射关系密切的密度堆积区（pile-up region）。

这样一种遥远的存在，对应的是深空与未知！如何探测，更是“遥不可及”的梦幻。当初设计旅行者号的科学家、工程师们，应该也没曾设想过，在旅行者号真正穿越日球层顶前30年便可进行“射电”感知！这就要靠旅行者号孪生飞船（V1\V2）“出乎意料”的大发现 --- 源自日球层深处的百公里超长波射电辐射。

1.     初窥雄姿

       两个飞船搭载着相同的等离子体波动探测系统（Plasma Wave System），由时间分辨率较高（~16秒）的16通道电场扰动测量仪（10 Hz – 56 kHz）及时间分辨率较差、但可覆盖40 Hz – 12 kHz的宽带频谱仪两套子系统构成。在1983年8月30日，V1上的3.11kHz通道上探测到强度平缓变化的电场扰动增强信号，且长时间持续（图2与图3）！据悉，该信号的出现非常“意外”，并不在起初的探测规划之中！

图2. 近20年（1983 - 2002）间，旅行者号先后三次观测到的辐射谱密度随频率的变化，对应于辐射最强时刻附近的数据。可见，92-94年事件最强，2002年3月的事件最弱。本图取自Gurnett et al. (2003, GRL)。

图3.（左）1992-93年间V1与V2观测到的百公里超长波射电辐射动态频谱。横坐标表示时间，纵坐标表示频率，颜色表示辐射谱密度或强度（取自Gurnett et al. 1993, Science；Mostafavi et al., 2022, SSR）。（右）上图为V1在1992-1993年间测量到的射电辐射信号，下图为V1在2012年穿越日球层顶后探测到的等离子体振荡电场信号；上下图左侧竖线分别表示V1首次探测到射电辐射时间及其首次探测到GCR增长的时间；横线及斜线对应于射电辐射中的上漂与常频分量。

V2的3.11 kHz通道并没有出现相应辐射，这应该是受V2系统早期的Flight Data System故障影响、灵敏度较低所致；因为从V2宽带频谱数据中发现了类似扰动。发现信号时，V1日心距为17.2 AU, V2为12.4 AU，二者间隔近10 AU。如此之远，却能几乎同时记录到类似电场扰动信号，说明该信号并非是局地产生、而是由远处传来 --- 必定是某未知物理过程或结构派出的电磁“信使”。

可以说明，该扰动不可能来自木星、土星等，因为它们到V1和V2的距离差别较大，如V1距木星14.8 AU，V2则为6.4 AU，同一行星源发出的信号不太可能在如此间距还能保有相近的辐射强度。此外，根据等离子体密度测量数据，可判定扰动频率要高于当地等离子体振荡频率，也支持上述关于电场信号是可在自由空间中传播的射电辐射的判断。

排除行星起源之后，可能的选择还有日球层终止激波或日球层顶。若假设为等离子体辐射，则根据频率大小，可推断等离子体密度数值及所处的日心距离，进一步设为等离子体辐射谐频，则得辐射源大约位于46 AU处。不论该测算有多准确，重要的是：该信号很可能标志着人类对日球层边界的首次探测 (our first glimpse of the edge of the heliosphere)！

2.     再现江湖

1992年7月，V1和V2又一次几乎同时探测到了类似信号，且又持续了一年之久（图2与图3）。类似地，该信号包含两个主要分量：几乎没有频漂的常频分量及随时间向高频漂移的频漂分量，后者可从~2kHz增至3.6kHz。整体来看，常频分量更强，且具有明确的低频截止频率，约1.8 kHz。根据测量，V2处等离子体振荡频率范围为0.4 到1.3 kHz，故信号频率显著高于当地的等离子体振荡频率，只能是电磁或射电模式。

当时，V1处于50.8 AU，黄道面经纬度分别为33.6度和245度；V2则位于39.0 AU处，经纬度分别为-11.7度和283度。二者远隔44.6 AU，却几乎同时观测到了相似的射电频谱，频率范围、漂移特征，乃至强度都很接近。这说明辐射源距离两个飞船非常之远，至少要远于44AU。

该信号强度（流量密度）为~1.8X10^-17 W m^-2 Hz^-1，这相当于~10⁵ SFU（太阳射电流量单位），属于太阳系中最强的射电辐射之一，甚至比很多太阳射电暴还要强大得多，更不用说源自行星的许多射电辐射了。

上述两例事件相隔近10年，飞船位置与间距也差异巨大，却具有类似的频谱特征，只能说明源区很远很远！关键问题就是在何处、什么过程激发了这一辐射？由于“太阳风暴”便是每隔近十年高发一轮，很自然便可联想到太阳风暴与“神秘“射电信号存在联系。

3.     关键线索

在分析92-93年事件时，又发现了一条之前忽视的重要线索：在91年，观测到非常强的宇宙线“Forbush”下降（图4）。一般认为，这一下降是由太阳发出、传向行星际空间的日冕物质抛射结构及其驱动激波引起的（宇宙线偏转或“屏蔽”效应）。相应系列太阳爆发事件发生于1991年5月25日到6月15日期间；而且地基宇宙线监测装置（Deep River neutron monitor）也探测到幅度近~30%的“破纪录式”Forbush下降。相应地，远在53和34 AU的Pioneer 10 and 11以及在46和35 AU的V1 和V2，也在三月内先后记录到相应的宇宙线强度下降，说明这些复杂抛射体已相继掠过飞船。由此，可判断激波平均传播速度为~800 km/s。这样，从太阳爆发开始，经过408天（或1.12年）之后，V1/V2才探测到来自日球层深处的射电信号。基于这一时间差及速度数值，便可估算出辐射源区的位置。

重新检查1983-84事件数据，在其之前412天（~1.13年），也观测到类似的Forbush下降（图4）！相应激波的平均速度也为810 – 850 km/s！据此，便可基本断定“太阳爆发、Forbush下降、日球层深处射电辐射”三者之间必定存在链式或因果关系。

图4. 1982-2003年间V1观测到的百公里超长波射电辐射事件频谱数据及由Climax neutron monitor监测到的宇宙线强度下降事件。三次宇宙线下降事件分别早于相应射电辐射起始时间：412、419、570天。取自Gurnett and Kurth (2019, NA)。

4.     水落石出

排除了射电辐射的行星起源之后，还余下两个可能：日球层终止激波或日球层顶。

根据信号传播时间及激波速度，如果是终止激波，则需位于140-186 AU距离之远。由于终止激波还属于太阳风内部的结构，故可根据质量守恒估算其密度大小。可知，太阳风密度随距离平方反比下降，则在如此远的地方对应的等离子体振荡频率应该仅为100-150 Hz，远小于信号频率。即便考虑到激波的压缩、等离子体谐频辐射等，还是无法解释观测！

对于日球层顶而言，如前所述，由于内侧太阳风与外侧星际介质温差几十倍，因此，越过日球层，等离子体密度应“陡升”几十倍。如此，便可解释观测到的辐射频率（图5）！

图5. （左）等离子体振荡频率随日心距离变化的简单示意。由左到右，随着距离增加，该频率首先单调下降，在终止激波处出现小的跳变，而后进入鞘区湍动区域，跨越日球层顶则有几十倍跳变，随后进入星际介质区域，在可能的舷首激波处又会出现小幅下跳变。取自Gurnett (1995, ApJ)及Mostafavi et al. (2022, SSR)。（右）根据V1/V2的等离子体振荡、密度及宇宙线测量数据等绘制的日球层顶位置、密度数值及其变化情况。其中，红色符号表示V2数据，黑色符号表示V1数据。图上方还给出了V1/V2穿越终止激波与日球层顶的位置。取自Gurnett et al. (2019, NA)。

上述论证说明，日球层顶是最可能的辐射源区。在此基础上，便可进一步估算该结构位置！可借助日球层数值模拟的研究结果，适当限定由终止激波到日球层顶间距占比系数与激波在越过终止激波后的传播速度，便可估算出日球层顶的距离，应位于116-177 AU之处！

5.     再过十年

2002年11月1日，V1又一次探测到类似的百公里超长波射电辐射（图2与图4）。不过强度弱很多、持续时间也更为有限。这可能与第23周太阳活动整体偏弱有关。对应的宇宙线下降幅度也是在三轮观测中最弱的，而且下降时间与V1首次探测到该辐射的时间整整早了570天。显然，这是由于太阳抛射结构传播更慢所致。估算表明，相应速度在~500km/s，很可能对应于2021年4月系列太阳活动事件。

6.     又过十年

又过了10年，也就是2012年（August 25, 2012），V1终于在飞行35年之后穿越了日球层顶。关键的证据依旧来自宇宙线测量数据，表现为异常宇宙线（Anomalous Cosmic Ray）强度的大幅下降以及银河宇宙线（Galactic Cosmic Ray）强度的同步上升（Burlaga et al., 2013）。依据便是：越过日球层顶后，银河宇宙线失去屏蔽而大幅攀升、日球层内的相应宇宙线成分则由于离开源区而大幅下降。一升一降之间，逻辑关系便已明了。

此外，2012年10月23日 ，V1观测到一组较高强度的等离子体振荡事件，由此可推算当地等离子体密度数值。结果表明，此时等离子体密度已大幅增加，由之前~0.002 cm^-3 增为0.05-0.22 cm^-3，增长了几十倍之多。这与基于压力平衡的估算一致；所得日球层顶距离为121.6 AU，与上述射电估算也相吻合！

V1在离开日球层顶之后测得的等离子体振荡频率在2-3 kHz之内，与其20年前所探测到的射电辐射频率一致！这表明射电辐射的频率对应于等离子体振荡频率，即为等离子体辐射基频！这为辐射机制研究提供了严格的约束！

此外，所得数密度随着距离增势明显。如在122.6 AU处，数密度为0.055 cm^-3，而在146 AU处则为0.12 cm^-3。该密度或相应等离子体振荡频率的变化与射电辐射中频漂分量的频率变化一致！说明相应频漂分量是由激波穿越对应的密度增长区时激发的。可能是由日球层顶处太阳风与星际风作用而形成这一密度增长区或等离子体的堆积区（pile-up region，图1）。至于常频分量，则很可能源自别处密度变化不大的源区。

如此，历经30年，V1终于从对日球层顶的射电遥测转为实测！也直接证明了上述关于2-3kHz射电辐射起源的推断是正确的：太阳抛出的磁场结构，在传播到日球层顶时，通过复杂的相互作用激发了强大的2-3kHz等离子体射电辐射！

7.     回光返照

上文给出了日球层深处百公里超长波辐射起源之链式过程（由太阳爆发、激波结构与宇宙线通量下降、射电辐射直到日球层顶穿越）的完整证据链！采集这样一个证据链，先后历时30年！也说明了探测宇宙奥秘所必需的坚持和努力！

可以说，百公里超长波射电辐射源自太阳风暴复杂结构与日球层顶的相互作用，是太阳风暴在日球层边缘的“回光返照”，也是“高”密度的日球层顶甚或星际介质彰显自我的“绝响”！

参考文献：

Kurth W. S., Gurnett D. A.., Scarf, F. L., Poynter R. L., 1984, Detection of a radio emission at 3 kHz in the outer heliosphere, Nature, 312.

Gurnett D. A., Kurth W. S., Allendorf, S. C., and Poynter R. L., 1993, Radio emission from the heliopause triggered by an interplanetary shock, 262.

Gurnett D. A., Kurth W. S., Burlaga L. F., Ness N. F., 2013, Science, In situ observations of interstellar plasma with Voyager 1, Science, 341.

Gurnett D. A., Kurth W. S., Stone E. C., et al., 2015, ApJ, Precursors to interstellar shocks of solar origin, 809, 121.

Gurnett D. A. and Kurth W. S., 2019, Plasma densities near and beyond the heliopause from the Voyager 1 and 2 plasma wave instruments, Nature Astronomy, 3.

Gurnett D. A., Kurth W. S., and Stone E. C., 2003, The return of the heliospheric 2-3 kHz radio emission during solar cycle 23, GRL, 30, 23.

Mostafavi P., Burlaga L. F., Cairns I. H., et al., 2022, Shocks in the very local interstellar medium, Space Science Reviews, 218: 27.