天文
地球曾可能直接暴露于寒冷密集的星际介质中
地球可能曾在200-300万年前直接暴露于寒冷密集的星际介质中，这一发现基于对本地寒冷云带(LRCC)速度场的研究。
银河系中的寒冷密集云比稀薄的星际介质密度高出四到五个数量级。我们太阳系在其生命周期中很可能遇到过至少一个这样的密集云。然而，目前对此类遭遇的证据尚未得到详细研究。在这项研究中，我们通过对HI4PI调查的21厘米数据建模，推导出本地寒冷云带(LRCC)的速度场，发现太阳系可能在200-300万年前通过天猫座的LRCC。利用最先进的日球层模拟，我们显示在通过过程中，日球层缩小到0.22天文单位，甚至比地球绕太阳的轨道还小。这将使地球在一段时间内直接接触到密集的星际介质，并暴露于超过3000立方厘米的中性氢密度之中。这一情景与60Fe和244Pu同位素的地质证据一致。此次遭遇以及相关的银河宇宙射线辐射增加，可能对地球系统和气候产生重大影响。
在过去的几百万年中，太阳系一直位于本地气泡中，可能已有1000万年之久。这里的条件并不均一，存在几个部分电离的云层。显然，过去的几百万年里，太阳系穿越了不同的本地星际介质区域，影响了其日球层。目前，太阳系正以每秒25公里的相对速度穿越一个本地星际云(LIC)。由于接近其边缘，太阳系将在未来几千年内离开LIC。
在我们展示的研究中，太阳在过去几百万年穿越的星际介质中存在寒冷致密的云，这可能极大地影响了日球层。我们探讨了一个情景，即太阳系在几百万年前穿过一个寒冷的气体云。很少有研究调查过与如此大质量云的遭遇，因为需要扫除日球层的密集星际介质非常罕见。密集星际介质的体积填充率不到千分之一。此外，太阳存在于一个大规模的空洞热泡中，几乎没有任何密集气体；在大多数方向上，距离太阳至少100秒差距内没有密集云。目前日球层所经历的星际介质是一个温暖、部分电离的介质，氢数密度约为0.2立方厘米，温度约为8000开尔文。这些云在太阳周围很丰富，但密度太低，不能将日球层收缩到130天文单位以下。太阳系附近的星际介质中也存在一些稀有的、密集的寒冷云，称为本地寒冷云带(LRCC)。其中本地狮子座寒冷云(LLCC)是最大和研究最多的，估计其氢数密度约为3000立方厘米，温度为20开尔文。对于LRCC的其余部分，详细属性尚未恢复，但根据21厘米光谱学推断，其热力学状态非常相似。LLCC的距离被估计在11-45秒差距之间，LRCC的其余部分预计也在类似的距离范围内。
此前的研究探讨了太阳在穿越星际介质时日球层所经历的不同环境对银河宇宙射线(GCRs)过滤的影响，这些射线会影响地球。GCRs对地球大气层和气候的影响尚不确定。一些研究推测，日球层与分子云的遭遇可能会影响地球的环境。我们提出的情景意味着太阳系中的所有行星同时暴露于星际介质。这一情景不需要60Fe和244Pu吸收到尘埃粒子中并特定地传递到地球，就像附近超新星爆炸的情景一样。
需要进一步探索日球层压缩与行星气候和大气层之间的物理联系。地球暴露于星际介质的后果超出了本研究的范围。我们在此仅简要评论其中一些后果。首先，这对地球气候可能有重要影响。与密度超过1000立方厘米的寒冷云遭遇将会改变地球大气层的化学成分。这需要仔细研究，包括云形成的物理过程。很少有研究在与密集巨大分子云遭遇的背景下定量地研究这种遭遇对气候的影响。一些研究认为，这种高密度会耗尽中层大气(50-100公里)的臭氧，并最终导致地球降温。这一观点与在海底微型有孔虫骨骼中测量到的氧同位素变化一致。有研究表明，这一时期的气候变化可能对人类进化产生了影响。有人提出，我们物种智人(Homo sapiens)的出现是由于适应气候变化的需要。随着日球层的缩小，地球直接暴露于星际介质中。
另一个影响是银河宇宙射线(GCRs)通量增加带来的辐射增强。旅行者1号和2号显示，日球层屏蔽了强度为70 MeV到5 GeV的GCRs约80%。在通过寒冷云时，地球暴露于未被屏蔽的GCR强度，若GCR被困在云中，冷云的压缩会进一步增强这种强度。然而，一些研究认为，密集云中的GCR光谱与本地星际介质相似。需要详细的GCR扩散建模来探讨GCR对气候和宜居性的影响。此外，通过如此密集的云层还会导致星际尘埃积累对地球大气的额外影响，这也需要进一步研究。
尽管太阳过去与这些稀有云的相遇非常罕见，但星际介质的湍流性质和这些云的小当前角度尺寸意味着过去的位置误差椭圆比这些云大得多，如果没有其他信息，其相遇的概率被测量为低。
结合Gaia提供的三维尘埃地图与太阳附近速度分辨的光谱线气体地图，应能对本地星际介质的密度和动力学提供约束。未来，这些约束将揭示太阳遇到能够将日球层缩小到亚天文单位尺度的云的频率。
我们希望我们的研究能激励未来的工作，详细研究日球层与本地寒冷云带(LRCC)遭遇对气候的影响及其对地球进化的可能后果。
本文译自 Nature Astronomy，由 BALI 编辑发布。