“旅行者”飞出太阳系了吗？

2014-03-06东方星

国际太空 2014年3期

2013年北京时间9月13日凌晨，美国航空航天局（NASA）在官网宣布：美国旅行者-1（Voyager 1）正式成为第一个进入星际空间的人造物体。“旅行者”项目首席科学家斯通（Stone）说，“旅行者-1已经离开太阳风层，在宇宙海洋各恒星间遨游。”这个飞行了36年的空间探测器目前距离太阳大约为1.9×1010km（截至2013年9月9日，约126个天文单位，1个天文单位为太阳与地球的平均距离，约1.5×108km）。其实，新的数据显示，旅行者-1已于2012年就进入了星际空间。虽然它仍受太阳引力等影响，但美国权威专家认为进入星际空间是历史性飞跃，其意义堪比麦哲伦第一次环球航行或阿姆斯特朗首次载人登月。

1 边界之争

有关太阳系的边界一直存在争议，目前还没有完全达成共识。此前有科学家定义太阳风“停刮”的边界就是太阳系边界，它大约是冥王星离太阳距离的2.5倍；此后，又有人提出以柯伊伯彗星带为界，它距太阳约为50～1000个天文单位；还有人认为，当空间探测器探测到激波边界，就表明它出了太阳系；另一种观点是以太阳层顶为界（太阳层顶是太阳圈与星际空间之间的边界，太阳风在此与星际物质达到平衡），它距太阳约为100～160个天文单位；更有甚者提出以依奥尔特云为界，它距太阳约为10万个天文单位；理论计算表明，太阳系的引力范围为15万～23万天文单位，若以这个为边界，那太阳系就大了去了。

旅行者-1在太阳的磁场（白线）和星际磁场（黑线）的交界区

这些观点可谓仁者见仁，智者见智，但简言之，主要按以下几种方式确定：一是以距太阳最远的行星或矮行星的轨道为界；二是按太阳风所能到达的距离为界；三是按奥尔特云所处的位置为界；四是按太阳引力所能影响到的范围为界。其中奥尔特云是一个假设包围着太阳系的球体云团，布满着不少不活跃的彗星。

这次，美国航空航天局的网站上虽然没有旅行者-1飞出太阳系外的字样，但称旅行者-1是第一个进入星际空间的人造物体，即恒星系与恒星系之间的空间，所以大多数人认为这就是飞出太阳系的意思，只是没有进入另一个恒星系。它达到了美国航空航天局有关飞出太阳系的最新标准。

近年，拥有大量权威天文学家和航天专家的美国航空航天局提出，确定空间探测器是在太阳系之内还是太阳系之外，主要应看它所在的区域占主导地位的粒子源自哪里，因为最新的空间探测成果表明，太阳系界面是延伸式和不规则的，原因是太阳粒子和太阳系外的宇宙粒子是互相影响的。所以美国提出用三项新指标，来衡量空间探测器是否飞出太阳系。一是空间探测器周围来自太阳的带电粒子数量是否急剧下降；二是来自太阳系的宇宙射线是否陡然增加；三是所处空间的磁场方向是否突然改变，后改为等离子体密度是否大大增加。

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激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带。在这个地带，太阳风从1×106～2.4×106km/h的高速急剧下降，其粒子密度更大，温度也升高了。但由于恒星间气体压力变化，这个区域经常收缩或膨胀，很难清晰确定边界。

旅行者-1探索“磁场高速公路”区域

2013年3月，美国两所大学发表论文称，旅行者-1已经成为首个脱离太阳系的人造物体，但这一结论随即被美国航空航天局专家们批评为“草率、不实”。因为当时旅行者-1传回的数据表明，它虽然已探测到了飞出太阳系的三项关键指标中的两项，即来自太阳的带电粒子数量只有以前的1%，源自太阳系外的宇宙射线比以往增加了2倍，但旅行者-1上的磁力计未发现磁场方向的偏转。

不过，旅行者-1当时传回的数据表明，它确实已抵达一个新的区域，闻到了太阳系外的味道。这片全新区域被科学家比作“磁场高速公路”，即太阳系内外的过渡区，在“磁场高速公路”内，带电粒子会急速地四处乱窜，沿着“磁场高速公路”快速进进出出。

旅行者-1遨游宇宙示意图

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星际空间等离子体密度的多少是判别旅行者-1是否飞出太阳圈内的最重要标志。等离子体广泛存在于宇宙空间中，是带电粒子最稠密和运动最缓慢的形态。因为太阳风从太阳表面向四面八方流出，如果旅行者-1突破了太阳圈，那其周围的等离子体就会发生改变。现在，旅行者-1已经穿透了太阳层顶，也就是太阳等离子体和星际等离子体之间一直假设存在的那道边界。

2 意外收获

因为没有旅行者-1达到飞出太阳系的第三条证据，所以对它是否飞出太阳系一直争论不休，正当有关专家感觉山穷水尽疑无路之时，今年突然又柳岸花明又一村，这是由于来自于太阳活动高峰给予了意外支持。

2012年3月，太阳突然发生了一次物质喷发，这些物质经过13个月时间于2013年4月9日到达旅行者-1当时所处的位置，并使其周围的等离子体发生了振荡，频率达到3.1kH z，该频率意味着等离子体密度比在太阳系内大80倍（比旅行者-2同一时间在太阳圈内探测到的等离子体密度大40倍），接近了天文学家预测的星际空间的等离子体密度，据此，“旅行者”项目团队改变了此前判断空间探测器是否飞出太阳系的第三条标准，由所处空间的磁场方向突然改变改为等离子体密度大大增加。因而认为，旅行者-1现已经通过太阳层顶（heliopause，太阳风在星际介质内吹出的气泡被称为太阳圈，在这气泡的边界外面就是太阳风再也推不动的庞然巨物星际介质，这个边界通常称为太阳层顶，并且被认为是太阳系的外层边界），进入了到星际空间等离子体的怀抱。

科学家是通过探测旅行者-1周围等离子体振荡的大小可计算电子密度，从而推定旅行者-1的位置。2012年10月23日-11月27日，旅行者-1所处区域电子密度为0.06个/立方厘米。2013年4月9日-5月22日，它所处区域电子密度为0.08个/立方厘米。现有理论认为，星际空间电子密度在0.05～0.22个/立方厘米之间。按旅行者-1每年飞行约3.5个天文单位的速度计算，结合2012年10月至11月间获得的数据，科学家最终一致认定，旅行者-1在2012年8月25日前后跨出了太阳系，那一天也恰好是旅行者-1所处空间出现太阳粒子基本消失和银河宇宙线数量明显上升，当时它距离太阳大约121个天文单位。随着在星际空间位置“愈发深入”，其周围的电子密度不断上升。

此前，由于旅行者-1不能对等离子体进行直接的观测，所以科学家想利用测量磁场变化来来间接测量等离子体的变化。然而，旅行者-1周围的磁场方向并没有变化发生，幸运的科学家借助太阳风暴探测了旅行者-1周围的星际空间等离子体。不过，由于目前旅行者-1所在区域的磁场方向没有按照预期改变。所以一些学者对它是否飞出太阳系仍存争议，但一位马里兰大学电子和应用物理学研究员认为，粒子数据“更靠谱”，磁场变化幅度可能不如科研人员想象中大。不过，为了谨慎起见，“旅行者”项目团队对外的正式说法是：旅行者-1已进入新的宇宙区域。

现在，虽然旅行者-1仍能探测到部分太阳磁场和带电粒子效应，且无法确定旅行者-1什么时候才能到达完全没有太阳影响的星际空间，但笔者认为，旅行者-1已摆脱了太阳系的主要影响，进入临近太阳系外一片崭新的过渡区域，所以可以认定它已飞出了太阳系。这样做既有科学依据，也对世人是个巨大的鼓舞和激励。它也揭示了太阳系的大小，即太阳系的边界距太阳约122个天文单位，这相当于冥王星距太阳的3倍。现在，旅行者-1与太阳的距离比旅行者-2与太阳的距离远大约3.5×109km。另外，旅行者-1的飞行方向更向北，而旅行者-2更向南，预计4年后飞出太阳系。

3 未来命运

旅行者-1和2目前所处的位置

远离地球的5个美国空间探测器目前所处的相对位置

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旅行者-1装有3台放射性同位素热电发射器作为电源，可提供30V、470W的电能。其总能量输出将随着同位素放射源的消耗而缓慢减少。目前，放射性同位素热电发电机每年产生的功率很小，因此科学家需要确定哪种设备是传回太阳圈和星际空间关键数据的优先设备，并将其他设备逐一关闭。目前加热器等其他一些航天器设备已经被关闭。

“旅行者”项目首席科学家斯通认为，旅行者-1已经离开太阳层顶，在宇宙海洋各恒星间遨游。进入星际空间是个重大的里程碑，使人类了解的太阳系有多大，标志着星际探索新时代的到来，它表明人类探索宇宙的能力已达到了很高的水平，其技术对于未来宇宙探索具有重要的借鉴意义。

它飞出太阳系后的主要任务是测量宇宙光束粒子，探测太阳风和其他恒星风之间的作用，其下一个里程碑也许是飞近太阳之外的另一颗恒星，不过，实现这一目标大致需要4万年。此外，旅行者-1还带着将地球人的信息—“地球之音”传递给外星人的任务。未来摆在旅行者-1面前的有两个问题：

一是电力的问题。为节约电力，旅行者-1在探测完土星及其卫星后已陆续关闭了一些有效载荷，2020年还将关闭磁场和粒子探测设备，只留下紫外线探测设备继续工作，直到2025年核电池耗尽。在2025年以后，将收不到旅行者-1发回的科学数据，但其工程数据还将在之后几年中继续传回，它会继续以17km/秒以上的第三宇宙速度向着银河系的中心前进。

二是信号的接收问题。因为信号的强度与距离的平方呈反比，距离越远信号越弱。旅行者-1可以飞得无限远，但如果接收不到信号，那一切都没有意义。目前旅行者-1发回的数据要用超过17h才能传回地球。目前发射信号的功率为23W，相当于冰箱内灯泡的功率，使探测器每天都与地面保持联系如果人类能在旅行者-1和地球之间建几个中继站可能就会解决这个问题，但是目前各国还没有相关的计划项目。

旅行者-1正在以每年3.5个天文单位的速度远离太阳系，方向是与黄道平面成35°夹角向北，即将向着蛇夫座的方向飞去，到公元40272年(距今38258年后)，旅行者-1将到达距离小熊座一颗模糊恒星1.7光年的地方。不知，它在未来的漫长飞行过程中是否能遇到外星人，如能遇到，外星人是否能读懂地球人传递给他们的信息，并与地球人进行联系。旅行者-2正以每年3.1天文单位的速度飞行，方向与黄道平面成48°夹角向南，朝射手座和孔雀座的方向飞去。在大约4万年后，旅行者-2将到达距离一颗名为Ross 248的恒星1.7光年的位置，这颗小型恒星位于仙女座。