“旅行者”飛出太陽(yáng)系了嗎？

2013年北京時(shí)間9月13日凌晨，美國(guó)航空航天局（NASA）在官網(wǎng)宣布：美國(guó)旅行者-1（Voyager 1）正式成為第一個(gè)進(jìn)入星際空間的人造物體?！奥眯姓摺表?xiàng)目首席科學(xué)家斯通（Stone）說(shuō)，“旅行者-1已經(jīng)離開(kāi)太陽(yáng)風(fēng)層，在宇宙海洋各恒星間遨游?！边@個(gè)飛行了36年的空間探測(cè)器目前距離太陽(yáng)大約為1.9×1010km（截至2013年9月9日，約126個(gè)天文單位，1個(gè)天文單位為太陽(yáng)與地球的平均距離，約1.5×108km）。其實(shí)，新的數(shù)據(jù)顯示，旅行者-1已于2012年就進(jìn)入了星際空間。雖然它仍受太陽(yáng)引力等影響，但美國(guó)權(quán)威專家認(rèn)為進(jìn)入星際空間是歷史性飛躍，其意義堪比麥哲倫第一次環(huán)球航行或阿姆斯特朗首次載人登月。

1 邊界之爭(zhēng)

有關(guān)太陽(yáng)系的邊界一直存在爭(zhēng)議，目前還沒(méi)有完全達(dá)成共識(shí)。此前有科學(xué)家定義太陽(yáng)風(fēng)“停刮”的邊界就是太陽(yáng)系邊界，它大約是冥王星離太陽(yáng)距離的2.5倍；此后，又有人提出以柯伊伯彗星帶為界，它距太陽(yáng)約為50～1000個(gè)天文單位；還有人認(rèn)為，當(dāng)空間探測(cè)器探測(cè)到激波邊界，就表明它出了太陽(yáng)系；另一種觀點(diǎn)是以太陽(yáng)層頂為界（太陽(yáng)層頂是太陽(yáng)圈與星際空間之間的邊界，太陽(yáng)風(fēng)在此與星際物質(zhì)達(dá)到平衡），它距太陽(yáng)約為100～160個(gè)天文單位；更有甚者提出以依奧爾特云為界，它距太陽(yáng)約為10萬(wàn)個(gè)天文單位；理論計(jì)算表明，太陽(yáng)系的引力范圍為15萬(wàn)～23萬(wàn)天文單位，若以這個(gè)為邊界，那太陽(yáng)系就大了去了。

旅行者-1在太陽(yáng)的磁場(chǎng)（白線）和星際磁場(chǎng)（黑線）的交界區(qū)

這些觀點(diǎn)可謂仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，但簡(jiǎn)言之，主要按以下幾種方式確定：一是以距太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星或矮行星的軌道為界；二是按太陽(yáng)風(fēng)所能到達(dá)的距離為界；三是按奧爾特云所處的位置為界；四是按太陽(yáng)引力所能影響到的范圍為界。其中奧爾特云是一個(gè)假設(shè)包圍著太陽(yáng)系的球體云團(tuán)，布滿著不少不活躍的彗星。

這次，美國(guó)航空航天局的網(wǎng)站上雖然沒(méi)有旅行者-1飛出太陽(yáng)系外的字樣，但稱旅行者-1是第一個(gè)進(jìn)入星際空間的人造物體，即恒星系與恒星系之間的空間，所以大多數(shù)人認(rèn)為這就是飛出太陽(yáng)系的意思，只是沒(méi)有進(jìn)入另一個(gè)恒星系。它達(dá)到了美國(guó)航空航天局有關(guān)飛出太陽(yáng)系的最新標(biāo)準(zhǔn)。

近年，擁有大量權(quán)威天文學(xué)家和航天專家的美國(guó)航空航天局提出，確定空間探測(cè)器是在太陽(yáng)系之內(nèi)還是太陽(yáng)系之外，主要應(yīng)看它所在的區(qū)域占主導(dǎo)地位的粒子源自哪里，因?yàn)樽钚碌目臻g探測(cè)成果表明，太陽(yáng)系界面是延伸式和不規(guī)則的，原因是太陽(yáng)粒子和太陽(yáng)系外的宇宙粒子是互相影響的。所以美國(guó)提出用三項(xiàng)新指標(biāo)，來(lái)衡量空間探測(cè)器是否飛出太陽(yáng)系。一是空間探測(cè)器周圍來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子數(shù)量是否急劇下降；二是來(lái)自太陽(yáng)系的宇宙射線是否陡然增加；三是所處空間的磁場(chǎng)方向是否突然改變，后改為等離子體密度是否大大增加。

鏈接：

激波邊界是太陽(yáng)風(fēng)在恒星間氣體壓力下減速的地帶。在這個(gè)地帶，太陽(yáng)風(fēng)從1×106～2.4×106km/h的高速急劇下降，其粒子密度更大，溫度也升高了。但由于恒星間氣體壓力變化，這個(gè)區(qū)域經(jīng)常收縮或膨脹，很難清晰確定邊界。

旅行者-1探索“磁場(chǎng)高速公路”區(qū)域

2013年3月，美國(guó)兩所大學(xué)發(fā)表論文稱，旅行者-1已經(jīng)成為首個(gè)脫離太陽(yáng)系的人造物體，但這一結(jié)論隨即被美國(guó)航空航天局專家們批評(píng)為“草率、不實(shí)”。因?yàn)楫?dāng)時(shí)旅行者-1傳回的數(shù)據(jù)表明，它雖然已探測(cè)到了飛出太陽(yáng)系的三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)中的兩項(xiàng)，即來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子數(shù)量只有以前的1%，源自太陽(yáng)系外的宇宙射線比以往增加了2倍，但旅行者-1上的磁力計(jì)未發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)。

不過(guò)，旅行者-1當(dāng)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)表明，它確實(shí)已抵達(dá)一個(gè)新的區(qū)域，聞到了太陽(yáng)系外的味道。這片全新區(qū)域被科學(xué)家比作“磁場(chǎng)高速公路”，即太陽(yáng)系內(nèi)外的過(guò)渡區(qū)，在“磁場(chǎng)高速公路”內(nèi)，帶電粒子會(huì)急速地四處亂竄，沿著“磁場(chǎng)高速公路”快速進(jìn)進(jìn)出出。

旅行者-1遨游宇宙示意圖

鏈接：

星際空間等離子體密度的多少是判別旅行者-1是否飛出太陽(yáng)圈內(nèi)的最重要標(biāo)志。等離子體廣泛存在于宇宙空間中，是帶電粒子最稠密和運(yùn)動(dòng)最緩慢的形態(tài)。因?yàn)樘?yáng)風(fēng)從太陽(yáng)表面向四面八方流出，如果旅行者-1突破了太陽(yáng)圈，那其周圍的等離子體就會(huì)發(fā)生改變?，F(xiàn)在，旅行者-1已經(jīng)穿透了太陽(yáng)層頂，也就是太陽(yáng)等離子體和星際等離子體之間一直假設(shè)存在的那道邊界。

2 意外收獲

因?yàn)闆](méi)有旅行者-1達(dá)到飛出太陽(yáng)系的第三條證據(jù)，所以對(duì)它是否飛出太陽(yáng)系一直爭(zhēng)論不休，正當(dāng)有關(guān)專家感覺(jué)山窮水盡疑無(wú)路之時(shí)，今年突然又柳岸花明又一村，這是由于來(lái)自于太陽(yáng)活動(dòng)高峰給予了意外支持。

2012年3月，太陽(yáng)突然發(fā)生了一次物質(zhì)噴發(fā)，這些物質(zhì)經(jīng)過(guò)13個(gè)月時(shí)間于2013年4月9日到達(dá)旅行者-1當(dāng)時(shí)所處的位置，并使其周圍的等離子體發(fā)生了振蕩，頻率達(dá)到3.1kH z，該頻率意味著等離子體密度比在太陽(yáng)系內(nèi)大80倍（比旅行者-2同一時(shí)間在太陽(yáng)圈內(nèi)探測(cè)到的等離子體密度大40倍），接近了天文學(xué)家預(yù)測(cè)的星際空間的等離子體密度，據(jù)此，“旅行者”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)改變了此前判斷空間探測(cè)器是否飛出太陽(yáng)系的第三條標(biāo)準(zhǔn)，由所處空間的磁場(chǎng)方向突然改變改為等離子體密度大大增加。因而認(rèn)為，旅行者-1現(xiàn)已經(jīng)通過(guò)太陽(yáng)層頂（heliopause，太陽(yáng)風(fēng)在星際介質(zhì)內(nèi)吹出的氣泡被稱為太陽(yáng)圈，在這氣泡的邊界外面就是太陽(yáng)風(fēng)再也推不動(dòng)的龐然巨物星際介質(zhì)，這個(gè)邊界通常稱為太陽(yáng)層頂，并且被認(rèn)為是太陽(yáng)系的外層邊界），進(jìn)入了到星際空間等離子體的懷抱。

科學(xué)家是通過(guò)探測(cè)旅行者-1周圍等離子體振蕩的大小可計(jì)算電子密度，從而推定旅行者-1的位置。2012年10月23日-11月27日，旅行者-1所處區(qū)域電子密度為0.06個(gè)/立方厘米。2013年4月9日-5月22日，它所處區(qū)域電子密度為0.08個(gè)/立方厘米。現(xiàn)有理論認(rèn)為，星際空間電子密度在0.05～0.22個(gè)/立方厘米之間。按旅行者-1每年飛行約3.5個(gè)天文單位的速度計(jì)算，結(jié)合2012年10月至11月間獲得的數(shù)據(jù)，科學(xué)家最終一致認(rèn)定，旅行者-1在2012年8月25日前后跨出了太陽(yáng)系，那一天也恰好是旅行者-1所處空間出現(xiàn)太陽(yáng)粒子基本消失和銀河宇宙線數(shù)量明顯上升，當(dāng)時(shí)它距離太陽(yáng)大約121個(gè)天文單位。隨著在星際空間位置“愈發(fā)深入”，其周圍的電子密度不斷上升。

此前，由于旅行者-1不能對(duì)等離子體進(jìn)行直接的觀測(cè)，所以科學(xué)家想利用測(cè)量磁場(chǎng)變化來(lái)來(lái)間接測(cè)量等離子體的變化。然而，旅行者-1周圍的磁場(chǎng)方向并沒(méi)有變化發(fā)生，幸運(yùn)的科學(xué)家借助太陽(yáng)風(fēng)暴探測(cè)了旅行者-1周圍的星際空間等離子體。不過(guò)，由于目前旅行者-1所在區(qū)域的磁場(chǎng)方向沒(méi)有按照預(yù)期改變。所以一些學(xué)者對(duì)它是否飛出太陽(yáng)系仍存爭(zhēng)議，但一位馬里蘭大學(xué)電子和應(yīng)用物理學(xué)研究員認(rèn)為，粒子數(shù)據(jù)“更靠譜”，磁場(chǎng)變化幅度可能不如科研人員想象中大。不過(guò)，為了謹(jǐn)慎起見(jiàn)，“旅行者”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)外的正式說(shuō)法是：旅行者-1已進(jìn)入新的宇宙區(qū)域。

現(xiàn)在，雖然旅行者-1仍能探測(cè)到部分太陽(yáng)磁場(chǎng)和帶電粒子效應(yīng)，且無(wú)法確定旅行者-1什么時(shí)候才能到達(dá)完全沒(méi)有太陽(yáng)影響的星際空間，但筆者認(rèn)為，旅行者-1已擺脫了太陽(yáng)系的主要影響，進(jìn)入臨近太陽(yáng)系外一片嶄新的過(guò)渡區(qū)域，所以可以認(rèn)定它已飛出了太陽(yáng)系。這樣做既有科學(xué)依據(jù)，也對(duì)世人是個(gè)巨大的鼓舞和激勵(lì)。它也揭示了太陽(yáng)系的大小，即太陽(yáng)系的邊界距太陽(yáng)約122個(gè)天文單位，這相當(dāng)于冥王星距太陽(yáng)的3倍?，F(xiàn)在，旅行者-1與太陽(yáng)的距離比旅行者-2與太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)大約3.5×109km。另外，旅行者-1的飛行方向更向北，而旅行者-2更向南，預(yù)計(jì)4年后飛出太陽(yáng)系。

3 未來(lái)命運(yùn)

旅行者-1和2目前所處的位置

遠(yuǎn)離地球的5個(gè)美國(guó)空間探測(cè)器目前所處的相對(duì)位置

鏈接：

旅行者-1裝有3臺(tái)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)射器作為電源，可提供30V、470W的電能。其總能量輸出將隨著同位素放射源的消耗而緩慢減少。目前，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)每年產(chǎn)生的功率很小，因此科學(xué)家需要確定哪種設(shè)備是傳回太陽(yáng)圈和星際空間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的優(yōu)先設(shè)備，并將其他設(shè)備逐一關(guān)閉。目前加熱器等其他一些航天器設(shè)備已經(jīng)被關(guān)閉。

“旅行者”項(xiàng)目首席科學(xué)家斯通認(rèn)為，旅行者-1已經(jīng)離開(kāi)太陽(yáng)層頂，在宇宙海洋各恒星間遨游。進(jìn)入星際空間是個(gè)重大的里程碑，使人類了解的太陽(yáng)系有多大，標(biāo)志著星際探索新時(shí)代的到來(lái)，它表明人類探索宇宙的能力已達(dá)到了很高的水平，其技術(shù)對(duì)于未來(lái)宇宙探索具有重要的借鑒意義。

它飛出太陽(yáng)系后的主要任務(wù)是測(cè)量宇宙光束粒子，探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)和其他恒星風(fēng)之間的作用，其下一個(gè)里程碑也許是飛近太陽(yáng)之外的另一顆恒星，不過(guò)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)大致需要4萬(wàn)年。此外，旅行者-1還帶著將地球人的信息—“地球之音”傳遞給外星人的任務(wù)。未來(lái)擺在旅行者-1面前的有兩個(gè)問(wèn)題：

一是電力的問(wèn)題。為節(jié)約電力，旅行者-1在探測(cè)完土星及其衛(wèi)星后已陸續(xù)關(guān)閉了一些有效載荷，2020年還將關(guān)閉磁場(chǎng)和粒子探測(cè)設(shè)備，只留下紫外線探測(cè)設(shè)備繼續(xù)工作，直到2025年核電池耗盡。在2025年以后，將收不到旅行者-1發(fā)回的科學(xué)數(shù)據(jù)，但其工程數(shù)據(jù)還將在之后幾年中繼續(xù)傳回，它會(huì)繼續(xù)以17km/秒以上的第三宇宙速度向著銀河系的中心前進(jìn)。

二是信號(hào)的接收問(wèn)題。因?yàn)樾盘?hào)的強(qiáng)度與距離的平方呈反比，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱。旅行者-1可以飛得無(wú)限遠(yuǎn)，但如果接收不到信號(hào)，那一切都沒(méi)有意義。目前旅行者-1發(fā)回的數(shù)據(jù)要用超過(guò)17h才能傳回地球。目前發(fā)射信號(hào)的功率為23W，相當(dāng)于冰箱內(nèi)燈泡的功率，使探測(cè)器每天都與地面保持聯(lián)系如果人類能在旅行者-1和地球之間建幾個(gè)中繼站可能就會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，但是目前各國(guó)還沒(méi)有相關(guān)的計(jì)劃項(xiàng)目。

旅行者-1正在以每年3.5個(gè)天文單位的速度遠(yuǎn)離太陽(yáng)系，方向是與黃道平面成35°夾角向北，即將向著蛇夫座的方向飛去，到公元40272年(距今38258年后)，旅行者-1將到達(dá)距離小熊座一顆模糊恒星1.7光年的地方。不知，它在未來(lái)的漫長(zhǎng)飛行過(guò)程中是否能遇到外星人，如能遇到，外星人是否能讀懂地球人傳遞給他們的信息，并與地球人進(jìn)行聯(lián)系。旅行者-2正以每年3.1天文單位的速度飛行，方向與黃道平面成48°夾角向南，朝射手座和孔雀座的方向飛去。在大約4萬(wàn)年后，旅行者-2將到達(dá)距離一顆名為Ross 248的恒星1.7光年的位置，這顆小型恒星位于仙女座。

旅行者-1的大部分科學(xué)探測(cè)儀器裝在右邊的短懸臂上

為旅行者-1安裝“地球之音”唱片

旅行者-1上的金銅制唱片

延伸閱讀：

美國(guó)旅行者-1是1977年9月5日升空的。在此前的1977年8月20日，與其基本一樣的旅行者-2率先上天。這2個(gè)“旅行者”的最初目標(biāo)都是探測(cè)木星、土星、天王星和海王星。因?yàn)樗鼈兊娘w行軌道設(shè)計(jì)利用了這幾顆外行星當(dāng)時(shí)處于非平常（每177年出現(xiàn)1次）的排列特點(diǎn)，所以可使探測(cè)器采取行星借力飛行的方式從木星飛向土星，然后飛向天王星和海王星，從而實(shí)現(xiàn)4聯(lián)的任務(wù)目標(biāo)。

但由于飛行軌道不同，速度較快的旅行者-1后來(lái)居上，于1979年2月先期到達(dá)了木星上空，1979年11月飛到土星附近。后來(lái)，又因?yàn)槁眯姓?1新增加了重點(diǎn)探測(cè)可能有生命的土衛(wèi)六的任務(wù)，即繞飛土衛(wèi)六，而探測(cè)土衛(wèi)六有特定的軌道要求，所以在完成土星 六探測(cè)后，旅行者-1沒(méi)有按原定計(jì)劃飛往天王星和海王星進(jìn)行探測(cè)，而是直奔太陽(yáng)系邊緣。

旅行者-1攜帶有10種科學(xué)探測(cè)儀器，包括成像系統(tǒng)、紫外光譜儀、紅外光譜儀、行星射電天文學(xué)實(shí)驗(yàn)、照相偏振測(cè)量?jī)x、磁強(qiáng)計(jì)、等離子微粒實(shí)驗(yàn)、低能量帶電粒子實(shí)驗(yàn)、等離子波實(shí)驗(yàn)和宇宙射線望遠(yuǎn)鏡，用于探測(cè)宇宙線、行星磁場(chǎng)、行星大氣成分等。

該探測(cè)器攜帶了一張名為“地球之音”的30.5cm鍍金銅制唱片。這張壽命可達(dá)10億年的唱片，一面錄制了美國(guó)總統(tǒng)和聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)的賀辭、55種語(yǔ)言的問(wèn)候語(yǔ)，包括中國(guó)的方言（普通話、粵語(yǔ)、閩南語(yǔ)和江浙一帶的吳語(yǔ)），還有35種地球自然界的各種聲音（包括火山爆發(fā)聲，滂沱大雨聲，海浪波濤聲，火車、飛機(jī)和汽車轟鳴聲，火箭發(fā)射隆隆聲，嬰兒第一次啼哭聲，鳥(niǎo)啼蟲(chóng)鳴聲，等等，表示地球45億年的發(fā)展歷史）、27首古今世界名曲（中國(guó)的京劇唱段和古琴演奏的《高山流水》古曲）；另一面錄制了包括中國(guó)長(zhǎng)城和中國(guó)家宴在內(nèi)的116幅反映地球人類文明的照片，照片反映了太陽(yáng)系的方位、地球人的細(xì)胞組成、男女性別、家庭組成和風(fēng)土人情等。人們期望，有朝一日，它們會(huì)被宇宙中的外星智慧生命截獲。那時(shí)，外星人就有可能通過(guò)這些了解到地球人的存在。

2013年第四季度航天器發(fā)射統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表