“旅行者號”飛出太陽系了嗎？

文/小超

▲ 太陽風與地球磁層的相互作用，地球磁層為地球提供了保護

2013年和2018年，分別有媒體發(fā)出“旅行者1號”和“旅行者2號”已飛出太陽系的報道。那么，它們是否真的飛出了太陽系？

要解答這個問題，需要我們首先了解“日球層”這個概念。

相信各位讀者在童年時都曾經享受過吹氣球所帶來的快樂時光。當我們用力將空氣吹入氣球時，氣球便在氣球內外壓強差的作用下向外膨脹，而當我們吹好氣球、將口扎緊時，氣球內外壓強的平衡使得氣球總能保持圓滾滾的形狀。在太空之中，太陽也用等離子體吹起了這樣一個“氣球”，而星際物質的存在使得這個“氣球”擁有了特別的大小與形狀，空間物理學家們將這個氣球稱為“日球層”。作為迄今為止僅有的兩個對日球層邊界進行過實地探測的飛行器，旅行者1號和2號不斷為科學家們帶來前所未有的觀測數據，改變著我們對于日球層的認識。

從太陽出發(fā)

▲日球層整體結構示意圖

我們肉眼所能感受到的太陽的光芒大都來自于太陽的光球層，天文學家們一般將這里視為太陽的表面。而在太陽表面之上，還存在著豐富的現象。在那里，物質并不是以我們日常生活中所能接觸到的固、液、氣三態(tài)存在，而是以物質的第四態(tài)——等離子體態(tài)的形式存在。原本被約束在每個原子核周圍的電子，在獲取足夠的能量后終于獲得了自由，能在物質中自由地穿梭。于是，雖然從整體上看，這團物質并不帶電，仍然呈現中性，但在物質內部，電子與離子的相互作用卻產生了固、液、氣三態(tài)中所不存在的物理現象。

例如，等離子體能夠與磁場發(fā)生相互作用。在太陽日冕中，磁場所貯存的能量被源源不斷地轉化到等離子體中，將等離子體從數千度加熱到數百萬度的高溫。在高溫的作用下，等離子體不但向外膨脹，還在磁場凍結效應的作用下攜帶著太陽磁場一起向遙遠的太空中奔去。由于這種現象與我們日常生活中時常能感受到的風有些類似，因此空間物理學家們給這些等離子體取了一個形象的名字，叫“太陽風”。

眾所周知，地球存在著大致為南北走向的地磁場。除了能通過指南針為我們指示方向外，地磁場還能為我們提供阻擋太陽風侵襲的屏障。由于等離子體和磁場的相互作用，大部分太陽風等離子體在地球附近必須繞道而行。而當行星際磁場指向特定方向時，地磁場便會被打開，太陽風粒子在經歷一系列加速過程后沿著地磁場到達南北兩極，形成絢爛的極光。而像火星這樣不具備較強內稟磁場的行星，太陽風則可以直接吹拂它的大氣層。目前有觀點認為，火星的大氣層之所以比較稀薄，就是由于太陽風對大氣層的破壞。

除了與地球等行星相遇時，會與行星發(fā)生相互作用外，在大部分空間中，太陽風都會無拘無束地以近乎不變的速度奔向遠方，直到它們在日球層的邊界與星際物質相遇。

與星際物質相遇

▲ 旅行者1號和2號從不同方向飛出了日球層，旅行者1號位于黃道面以北，旅行者2號位于黃道面以南

當某一個地方揚起一陣灰塵時，我們在一段距離之外就能察覺出灰塵的存在，因為灰塵使得它后面的物體在視覺上變得模糊?；陬愃频挠^測原理，在人類能夠發(fā)射航天器之前，科學家們就已經在恒星等天體的光譜信息中，找到了星際物質的蛛絲馬跡，并大致確定了行星際物質的密度、磁場強度等物理性質。在美國物理學家尤金·帕克教授于上世紀五十年代最先提出太陽風理論時，星際物質的密度和壓強觀測證據是他否定靜止日冕理論，并排除自己物理模型的幾種不合理解的關鍵證據。

隨著與太陽距離的增加，雖然太陽風的速度不會發(fā)生太大的變化，但太陽風的密度卻會越來越低。在冥王星的軌道以外，他們的向前奔馳“沖勁”不再充足，不足以支撐他們克服在宇宙空間中廣泛存在的星際物質的阻礙，難以再繼續(xù)自由向前。然而，和開車的司機遇到紅燈便踩下剎車、平穩(wěn)減速停車的過程不同的是，以超音速奔馳的太陽風無法將前面所遇到的阻礙信息“傳遞”給隨后涌來的太陽風，與恒星物質的相遇更像是一次大霧天氣中的“車禍”，接踵而至的太陽風等離子體不斷碰撞壓縮前方已經減速的等離子體，形成了一道“終止激波”。在經過終止激波之后的過渡后，太陽風等離子體最終與星際物質交會。太陽風所能影響的空間范圍，被空間物理學家們稱為“日球層”，而太陽風與星際物質相會的地方，則被稱為“日球層頂”。

通過簡單計算，就能大致推算出日球層頂是位于冥王星軌道之外、距離太陽相當遙遠的地方。而日球層的整體結構，目前主要通過數值模擬和遙感觀測的方法獲得。在使用數值模擬時，科學家們首先使用一套方程組來描述太陽風物理性質的變化。之后，先使用數學方法對方程進行“處理”，將其轉化為計算機能夠進行運算的形式，再編制代碼，形成數值模擬程序。科學家們先將太陽風和星際物質的基本情況賦值到計算機的虛擬世界中，之后運行數值程序，計算機就能通過解算方程的方式讓太陽風和星際物質在虛擬的世界中相互作用。當兩者的作用逐漸達到平衡，模擬區(qū)域中的解不再發(fā)生明顯的變化時，即可將計算結果的數值表達成容易看到的圖像和圖表。我們目前所能看到的日球層整體結構圖，大都是根據數值模擬結果得到的。在這些圖像中，日球層之所以不是一個圓球，而是呈現向一個方向拉伸的橢球裝，是因為整個太陽系正在環(huán)繞銀河系中心旋轉，同時星際物質本身也帶有一定的速度。太陽與日球層橢球結構距離它最近的那個位置的聯系，指向太陽相對星際物質的運動方向。

▲ 旅行者2號穿越日球層頂時探測到的太陽風粒子通量和宇宙線通量所發(fā)生的變化

而太陽與星際物質相互作用的一些產物進入太陽系中后，也可以被探測器捕捉到，進而通過遙感觀測的方式洞悉日球層的秘密。目前正在軌工作的美國宇航局“星際邊界探測器”(IBEX)通過收集不同能級的高能中子來對日球層進行成像觀測，這些高能中子產生于太陽風和星際物質在日球層邊界上的相互作用。通過記錄不同方向上射來的高能中子的通量差異，IBEX的數據能夠使科學家們了解不同方向上太陽風與星際物質相互作用的強烈程度。

“旅行者號”傳佳音

空間物理學是一門以衛(wèi)星實測數據為基礎建立的學科，雖然我們已經了解了日球層的大致形態(tài)，但沒有衛(wèi)星在終止激波、日球層頂等區(qū)域的實地探測，我們就很難對那里所發(fā)生的物理過程有確切的了解。在完成對大行星的探測任務后，“旅行者號”繼續(xù)向著日球層的邊界進發(fā)。

2004年11月，“旅行者1號”在距離太陽94AU（天文單位）的地方成功地穿越了日球層的終止激波。2007年8月，“旅行者2號”則在距離太陽84AU的地方完成了同樣的活動。此前，科學家們一致認為一些在地球上探測到的、并非來自于太陽的高能粒子，是星際物質在終止激波中加速獲得能量而形成的。然而，“旅行者1號”的實測數據中并沒有發(fā)現科學家們所期望的加速現象，給了科學家們繼續(xù)進行研究的啟發(fā)。

在旅行者1號和2號上，均裝配了用來測量太陽風粒子的等離子體譜儀（PLS），當這種譜儀測到的太陽風粒子通量密度明顯降低時，旅行者號探測器便不再受到太陽風吹拂，基本可以證實它們已經穿過日球層頂，處在了星際空間中。

然而，“旅行者1號”的PLS早在1980年便已經罷工了。當“旅行者1號”在2012年進入星際空間時，科學家們頗費了一番周折，才在太陽的助攻下確認了“旅行者1號”的成功。2012年3月，太陽爆發(fā)了一次強烈的日冕物質拋射。13個月之后，這次爆發(fā)傳播到了旅行者號飛船所在的位置，“旅行者1號”上還能工作的等離子體波動探測儀器記錄下了這次爆發(fā)所帶來的波動。通過波動數據，科學家們間接推測出了“旅行者1號”所在位置的電子密度，發(fā)現電子密度的值與星際物質的特征一致，與太陽風則相差幾個量級。由此，科學家們才確定“旅行者1號”已經進入了星際空間。當旅行者號團隊對之前的數據重新分析后，發(fā)現一些相對微弱的波動表明，“旅行者1號”早在2012年8月就已經在距離太陽121AU的地方完成了穿越日球層頂的壯舉，進入星際空間。

▲ 旅行者2號飛行征途示意圖

而“旅行者2號”的PLS至今仍在正常工作。2018年11月5日，在“旅行者2號”傳回地太陽風數據中，出現了粒子密度的突然下降。也就是說，在180億公里之外，“旅行者2號”感受到，身邊吹拂的太陽風突然消失了，它進入了一片全新的世界中?？茖W家們由此確認，“旅行者2號”已經穿過日球層頂，進入星際空間中。除了太陽風粒子的密度數據外，“旅行者2號”所探測到的銀河宇宙線通量增加也進一步證實了它已處于星際空間的事實。銀河宇宙線是來自于太陽系以外的高能輻射。由于日球層的屏蔽作用，只有一部分銀河宇宙線可以傳播到日球層之內。同時，日球層內的宇宙線強度也受太陽活動調節(jié)。當太陽活動較強時，就能更多地將宇宙線屏蔽在日球層以外，使地球上接收到的宇宙線輻射通量減少。而在日球層之外，宇宙線的通量就會變得相對更強。

太陽系的邊界到底在哪里？不同的人可能會給出不同的答案。目前主流的觀點認為，太陽系的邊界位于距離太陽約2光年（10萬AU）的奧爾特云。雖然沒有直接的探測證據，但間或造訪太陽系內部的長周期彗星使科學家們推斷，奧爾特云是這些彗星的發(fā)源地。由于奧爾特云依然受到太陽引力的作用，因此這里被一些學者當作太陽系引力和結構上的邊緣。然而，也有的學者認為，從另一個角度講，太陽的光和引力理論上可以延伸到無窮遠，但太陽系顯然不能包羅全部的宇宙，因此也有人認為日球層頂標志著太陽風影響的終結，跨入星際物質后就已經辦妥了從太陽系的“出境”手續(xù)。因此，在本次對“旅行者2號”和之前對“旅行者1號”進入星際空間的報道中，有不少媒體使用了“飛出太陽系”的字眼。至于這個說法是否恰當，就見仁見智了。

和用了太久的手機電池就會供電不足一樣，為旅行者號探測器供電的同位素熱電池的輸出功率正以每年4瓦的速度衰減。到2020年，飛船將不得不關閉所有的科學探測儀器，用僅有的供電維持飛船與地球的通信。在這之前，這兩個制造發(fā)射于上世紀七十年代的老爺探測器將會不斷把人類對太空進行科學探索的疆域向前推進，為我們帶來關于星際物質的令人激動的探測數據。