“旅行者2號(hào)”的星際穿越

1977年，美國(guó)先后發(fā)射了“旅行者1號(hào)”與“旅行者2號(hào)”（因?yàn)榧夹g(shù)原因，雖然“旅行者2號(hào)”命名靠后，但發(fā)射時(shí)間比“姐姐”要早一些），作為人類目前飛得最遠(yuǎn)的探測(cè)器，“旅行者1號(hào)”在2012年8月完成了日球?qū)禹數(shù)拇┰?，研究人員本以為能夠從那次穿越中了解些日球?qū)拥男畔ⅲz憾的是，由于“旅行者1號(hào)”探測(cè)器上的等離子體設(shè)備損壞，在地球上一直期待著“旅行者1號(hào)”的研究人員根本無法收集到那次穿越的完整數(shù)據(jù)。6年后，“旅行者2號(hào)”于2018年11月完成了日球?qū)禹數(shù)拇┰?，這一次人類終于擁有了“旅行者2號(hào)”穿過星際空間的首批數(shù)據(jù)。

不久前，研究人員終于分析完“旅行者2號(hào)”星際穿越所傳輸回來的數(shù)據(jù)，究竟，一年前的那一場(chǎng)星際穿越有怎樣的新發(fā)現(xiàn)？

日球?qū)邮鞘裁矗?/p>

回答這個(gè)問題之前，我們一起來做個(gè)實(shí)驗(yàn)——當(dāng)你用力吹氣球時(shí)，氣球便在氣球內(nèi)外壓強(qiáng)差的作用下向外膨脹，而當(dāng)你吹好氣球、將口扎緊時(shí)，氣球內(nèi)外壓強(qiáng)的平衡使得氣球總能保持圓滾滾的形狀。在太空之中，太陽也用太陽風(fēng)體“吹”起了這樣一個(gè)“氣球”，科學(xué)家們將這個(gè)“氣球”稱為“日球?qū)印?，但日球?qū)拥拇笮∨c形狀是不規(guī)則的，原因是星際物質(zhì)的存在，而太陽風(fēng)與星際物質(zhì)相交會(huì)的地方，則被稱為“日球?qū)禹敗薄碜蕴栂祪?nèi)部的飛行器，一旦越過日球?qū)禹?，就脫離了太陽風(fēng)所能影響的空間范圍，進(jìn)入了“星際穿越”的新旅程中。

“旅行者1號(hào)”在2012年飛出日球?qū)訒r(shí)距太陽約183億公里，這之前科學(xué)家并不知道這個(gè)“氣球”究竟有多大，但當(dāng)“旅行者2號(hào)”于2018年11月飛出日球?qū)舆M(jìn)入星際空間時(shí)距離太陽約180億公里，這兩個(gè)探測(cè)器的“穿越”位置為科學(xué)家們研究日球?qū)咏Y(jié)構(gòu)提供了線索。參與研究的美國(guó)艾奧瓦大學(xué)學(xué)者比爾·庫爾思說，通過對(duì)比兩個(gè)探測(cè)器的穿越點(diǎn)，可基本看出日球?qū)有螤钍菍?duì)稱的。

對(duì)比數(shù)據(jù)還揭示了日球?qū)禹數(shù)哪承┨卣?，比如在不同位置日球?qū)禹敽穸炔煌?。日球?qū)禹斒侨涨驅(qū)幼钔饩夁吔?，太陽風(fēng)與星際風(fēng)在這里達(dá)到平衡?？茖W(xué)家認(rèn)為日球?qū)禹敃?huì)隨太陽活動(dòng)移動(dòng)，就好像人類的肺部隨著呼吸擴(kuò)張和收縮一樣。

太陽系與星際空間的邊界地帶充斥著哪些物質(zhì)？研究人員從“旅行者2號(hào)”傳輸回來的數(shù)據(jù)中也獲得了一些線索。

進(jìn)入星際空間時(shí)，“旅行者2號(hào)”搭載的高能粒子探測(cè)儀檢測(cè)到日球?qū)恿Ｗ訑?shù)量驟降，同時(shí)宇宙射線量劇增，并保持在高水平。此前“旅行者1號(hào)”發(fā)現(xiàn)日球?qū)涌梢詫⒌厍蚣捌渌行鞘艿降挠钪嫔渚€輻射減少七成以上。

兩個(gè)探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)均顯示，它們完成穿越時(shí)，周圍等離子體密度劇增。等離子體是由正負(fù)離子、電子及中性粒子組成的特殊物質(zhì)形態(tài)?？茖W(xué)家此前已知，日球?qū)觾?nèi)的等離子體熾熱而稀疏，星際空間內(nèi)的等離子體冰冷而密實(shí)。

參與研究的美國(guó)艾奧瓦大學(xué)榮譽(yù)教授唐納德·格尼特說，最新數(shù)據(jù)表明“那種認(rèn)為太陽風(fēng)在深入宇宙空間時(shí)逐漸減弱的老觀點(diǎn)是不正確的”。等離子體密度劇烈變化意味著，太陽系和星際空間之間有一個(gè)明確邊界。

“旅行者2號(hào)”數(shù)據(jù)證實(shí)，星際空間邊界的等離子體溫度確實(shí)低于日球?qū)觾?nèi)等離子體，但比此前預(yù)期略高。數(shù)據(jù)還顯示，“旅行者2號(hào)”飛離日球?qū)忧暗入x子體密度也曾略微升高，表明等離子體在日球?qū)觾?nèi)緣和外緣經(jīng)過了兩次壓縮，但尚無法解釋原因。

宇宙磁場(chǎng)廣泛存在于宇宙的每個(gè)角落?！奥眯姓?號(hào)”磁場(chǎng)傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)印證了“旅行者1號(hào)”的一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)：日球?qū)禹斖饩墔^(qū)域磁場(chǎng)方向與日球?qū)禹攦?nèi)部磁場(chǎng)方向是平行的?？茖W(xué)家最初通過“旅行者1號(hào)”發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象時(shí)，他們不確定這種有序的磁場(chǎng)排列是外部星際空間的普遍特征還是巧合，不過，最新數(shù)據(jù)至少表明：太陽系內(nèi)外磁場(chǎng)方向很可能是一致的。

本次公布的結(jié)果再次表明，日球?qū)禹敳⒎窍駳馇虻耐馄ひ粯?，是日球?qū)优c星際物質(zhì)的簡(jiǎn)單分隔。無論是在星際空間還是在日球?qū)觾?nèi)，在靠近日球?qū)禹數(shù)牡胤蕉即嬖谥鴱?fù)雜的相互作用過程和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，雖然“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”兵分兩路，分別對(duì)黃道面以南和以北的日球?qū)禹斀Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了探測(cè)，但這對(duì)于勾勒出日球?qū)拥耐暾Y(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

例如，兩艘探測(cè)器所穿越日球?qū)禹數(shù)姆较?，都是日球?qū)优c星際物質(zhì)迎面相遇的那一側(cè)。而在另一側(cè)，日球?qū)禹數(shù)降壮尸F(xiàn)怎樣的形態(tài)，則尚無定論。有學(xué)者認(rèn)為，如果星際物質(zhì)中的磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位，那么整個(gè)日球?qū)訉⒊尸F(xiàn)出橢球狀的形狀。反之，如果是星際物質(zhì)的動(dòng)能或內(nèi)能占優(yōu)，則日球?qū)禹數(shù)牧硪粋?cè)很可能會(huì)像彗星一樣，拉出長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴。

此外，由于為兩艘旅行者號(hào)探測(cè)器供電的同位素電池的電量已經(jīng)近乎衰竭，科學(xué)家們可能在2020年就不得不關(guān)閉探測(cè)器上所有的科學(xué)儀器，也就無法再產(chǎn)生新的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。而到了2025年，電池輸出的電能已經(jīng)無法支撐旅行者號(hào)探測(cè)器最基本的運(yùn)行和通信。那時(shí)，我們將不得不中斷與兩艘探測(cè)器的聯(lián)系，到時(shí)，我們?cè)僖猜牪坏竭@兩艘已經(jīng)離家?guī)资甑暮⒆釉谛请H空間中向地球家園的呼喊。

事實(shí)上，對(duì)于這兩艘探測(cè)器是否已飛出太陽系，科學(xué)界還存在不同觀點(diǎn)。有觀點(diǎn)認(rèn)為它們飛出日光層，就已飛出太陽系，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為太陽系的邊界是仍受太陽引力影響的“奧爾特云”，它的位置更遙遠(yuǎn)，因此，“旅行者2號(hào)”探測(cè)器可能還需300年才能接近奧爾特云，可能還需3萬年才能飛出奧爾特云。

NASA之前曾表示，這兩艘探測(cè)器攜帶有關(guān)于人類文明的聲音、圖片和影像，有望在數(shù)十億年后仍然在宇宙?zhèn)鬟f人類文明的信息。