旅行者2號星際穿越新發(fā)現(xiàn)

文/ 李會超

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

北京時(shí)間2019年11月5日0點(diǎn)，《自然·天文》雜志在線發(fā)表了五篇論文，從不同的方面介紹了旅行者2號和旅行者1號探測器在星際空間中看到的新鮮事。通過這兩個(gè)探測器的觀測，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽風(fēng)和星際物質(zhì)的相互作用使得日球?qū)禹敻浇霈F(xiàn)了豐富而復(fù)雜的相互作用結(jié)構(gòu)。在回答原有問題的同時(shí)，這些探測結(jié)果也為未來的日球?qū)舆呺H探測提出了更多新的問題，有待我們研制發(fā)射更多的探測器去解答。

什么是日球?qū)优c日球?qū)禹?/h2>

當(dāng)我們用力將空氣吹入氣球時(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)我們吹好氣球、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”，而星際物質(zhì)的存在使得這個(gè)“氣球”擁有了特別的大小與形狀，科學(xué)家們將這個(gè)氣球稱為“日球?qū)印?。而太陽風(fēng)與星際物質(zhì)相交會的地方，則被稱為“日球?qū)禹敗?。來自太陽系?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。

太陽帶領(lǐng)整個(gè)太陽系在銀河系中運(yùn)動(dòng)，在與星際物質(zhì)迎面相遇的那一側(cè)，日球?qū)禹斁嚯x太陽的距離約為一百多個(gè)天文單位（AU），也就是地球與太陽之間距離的100多倍（1天文單位=日地平均距離）。

作為人類目前飛得最遠(yuǎn)的探測器，美國于1977年發(fā)射的“旅行者1號”與“旅行者2號”，在2012年8月年和2018年11月分別完成了日球?qū)禹數(shù)拇┰??！奥眯姓?號”在地球軌道面（黃道面）以北的位置穿越日球?qū)禹敚┰綍r(shí)與太陽的距離為121.7天文單位。“旅行者2號”則從黃道面以南穿越日球?qū)禹敚┰綍r(shí)距離太陽119.0天文單位。由于“旅行者2號”上的等離子體譜儀（PLS）依然能夠正常工作，并沒有像“旅行者1號”的PLS一樣在上世紀(jì)80年代就宣告罷工，科學(xué)家們對“旅行者2號”的星際穿越能夠帶來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)寄予了更大的期望。

星際穿越新鮮事

▲ 旅行者號探測器外觀

▲ 利用幾次爆發(fā)事件獲得的探測機(jī)會而獲得的“旅行者1號”所在位置的密度情況

▲ “旅行者2號”發(fā)現(xiàn)的“磁場屏障”（Magnetic barrier），可見在穿過磁場屏障后、進(jìn)入星際空間后，子圖d中所示的高能銀河宇宙線通量發(fā)生了顯著增加

旅行者1號探測器等離子體譜儀的罷工，使科學(xué)家們不得不采用另一種方式來推測它所在位置的電子密度。無論是太陽風(fēng)和還是星際物質(zhì)，都是由一種叫做等離子體的物質(zhì)形態(tài)構(gòu)成。在等離子體中，已經(jīng)被電離的電子和粒子與電磁場高度耦合，電磁場的波動(dòng)頻率可以反映等離子體的電子密度等性質(zhì)。在“旅行者1號”上，測量等離子體中電磁場波動(dòng)的儀器仍然在工作。一旦從太陽噴薄而出的爆發(fā)，經(jīng)過漫長的傳播到達(dá)旅行者1號探測器附近，科學(xué)家們就能夠利用這寶貴的機(jī)會，計(jì)算出“旅行者1號”附近的等離子體密度。幫助科學(xué)家們確認(rèn)“旅行者1號”已經(jīng)處于星際空間的，就是2012年發(fā)生的一次爆發(fā)。

在本次發(fā)表的第一篇有關(guān)等離子體密度觀測的論文中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)用電磁場波動(dòng)推測電子密度的測量方法是靠譜的。從“旅行者2號”的觀測數(shù)據(jù)來看，由等離子體譜儀直接測量的電子密度和用電磁波波動(dòng)推測的電子密度基本一致。同時(shí)，“旅行者2號”與“旅行者1號”探測到的緊鄰日球?qū)禹數(shù)男请H物質(zhì)密度也基本相同，進(jìn)一步證實(shí)了跨過日球?qū)禹?，密度將躍升20～50倍的理論計(jì)算結(jié)果。

利用“旅行者1號”穿越日球?qū)禹敗淼叫请H空間之后又遇到的幾次探測機(jī)會，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“旅行者1號”探測到的密度越來越大，正在翻越一座星際物質(zhì)的“山峰”。這座“山峰”是處于日球?qū)油獠康囊粋€(gè)邊界層，目前的一種觀點(diǎn)認(rèn)為它可能是星際物質(zhì)在日球?qū)禹敻浇龅阶璧K、無法前進(jìn)后堆積而成的，而“旅行者1號”現(xiàn)在剛好爬上了這座“山峰”的峰頂，能否如理論預(yù)測的一樣在未來“下山”，以及“旅行者2號”是否會爬上這座“山峰”，有待進(jìn)一步觀測證實(shí)了。

有趣的是，25年前，兩艘“旅行者號”上的射電觀測設(shè)備就曾經(jīng)通過遙感觀測的方式發(fā)現(xiàn)過這個(gè)邊界層的存在。而25年后，它們終于走到了那里，親自爬上了這座曾經(jīng)“遠(yuǎn)眺”過的“山峰”。

▲ 旅行者1號（紅線）在穿越日球?qū)禹斍八^測到的兩次銀河宇宙線增強(qiáng)事件，分別位于Day280 和Day 300。藍(lán)線為“旅行者2號”觀測數(shù)據(jù)。“旅行者1號”的數(shù)據(jù)在時(shí)間上向后平移6.2年以方便與“旅行者2號”數(shù)據(jù)對齊

由于失去了一部分大氣層的保護(hù)，經(jīng)常坐飛機(jī)的旅客可能要受到更多的銀河宇宙線的輻射。但是，除了成天待在天上的空乘人員需要對此進(jìn)行留意外，旅客們在一般情況下不用擔(dān)心銀河宇宙線的輻射劑量會帶來什么風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槲覀內(nèi)涨驅(qū)泳褪倾y河宇宙線的另一個(gè)屏障。在關(guān)于日球?qū)禹敻浇艌鲇^測的論文中，通過“旅行者2號”的探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們似乎發(fā)現(xiàn)了到底是什么結(jié)構(gòu)將宇宙線擋在了日球?qū)又?。從日球?qū)觾?nèi)到日球?qū)油?，磁場?qiáng)度如科學(xué)家們預(yù)想的那樣出現(xiàn)了約4～5倍的增加，而這個(gè)變化是通過一個(gè)過渡區(qū)域逐漸發(fā)生的。在穿過這個(gè)區(qū)域時(shí)，銀河宇宙線的強(qiáng)度也發(fā)生了較大的增加?？茖W(xué)家們將這個(gè)區(qū)域稱為“磁場屏障”，正是這個(gè)屏障阻擋了能量較高的銀河宇宙線進(jìn)入日球?qū)赢?dāng)中?？茖W(xué)家們推測，磁場屏障有可能是日球?qū)觾?nèi)外的磁場通過磁重聯(lián)等相互作用，形成的一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。此外，“旅行者1號”穿越日球?qū)禹敃r(shí)，探測到了出乎科學(xué)家們意料的一個(gè)情況：磁場方向在日球?qū)觾?nèi)外沒有發(fā)生太大的變化?！奥眯姓?號”的觀測進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)情況。探究這個(gè)現(xiàn)象背后的原因，這使得相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們又有很多工作可以做了。

實(shí)際上，“磁場屏障”可能也并非鐵板一塊，在另一篇專門討論宇宙線觀測論文中，科學(xué)家們展示了“旅行者1號”在日球?qū)觾?nèi)部所遇到的兩次銀河宇宙線增強(qiáng)事件。如同心跳的脈沖一樣，這兩次增強(qiáng)呈現(xiàn)的都是偶發(fā)性短時(shí)快速變化。“旅行者2號”在日球?qū)觾?nèi)沒有遇到這樣的事件，但其在日球?qū)油庥^測到的宇宙線特性，與“旅行者1號”在日球?qū)觾?nèi)所遇到的這兩次增強(qiáng)事件中，宇宙線所呈現(xiàn)的性質(zhì)一致。這說明，宇宙線可能通過什么機(jī)制穿透了磁場屏障，可以短時(shí)少量入侵到日球?qū)觾?nèi)部。

在日球?qū)觾?nèi)部接近日球?qū)禹數(shù)奈恢蒙?，“旅行?號”能夠正常工作的等離子體譜儀，讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)邊界層。第一個(gè)邊界層比較靠內(nèi)，厚度也相對較大，有1.5個(gè)天文單位。從太陽表面一路奔馳到日球?qū)禹敻浇牡入x子體，在這個(gè)邊界層中的密度和溫度開始增大。在緊靠日球?qū)禹數(shù)牡胤?，另一個(gè)厚度只有0.06天文單位的邊界層中，等離子體遠(yuǎn)離太陽的速度呈現(xiàn)降低的態(tài)勢。這與“旅行者1號”觀測到的情況有所不同。“旅行者1號”觀測到了等離子體在到達(dá)日球?qū)禹斨熬屯说默F(xiàn)象，而“旅行者2號”觀測到的則是在第二個(gè)邊界層之前都持續(xù)保持昂揚(yáng)向前姿態(tài)的等離子體。

更多問題有待揭示

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”和“旅行者2號”兵分兩路，分別對黃道面以南和以北的日球?qū)禹斀Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了探測，但這對于勾勒出日球?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)很可能會像彗星一樣，拉出長長的尾巴。

▲ 旅行者號40周年紀(jì)念海報(bào)

▲ IBEX數(shù)據(jù)繪制的高能通量分布圖

此外，由于為兩艘旅行者號探測器供電的同位素電池的電量已經(jīng)近乎衰竭，科學(xué)家們可能在明年就不得不關(guān)閉所有的科學(xué)儀器，無法再產(chǎn)生新的科學(xué)探測數(shù)據(jù)。而到了2025年，電池輸出的電能已經(jīng)無法支撐旅行者號探測器最基本的運(yùn)行和通信。那時(shí)，我們將不得不中斷與兩艘探測器的聯(lián)系，再也聽不到這兩艘已經(jīng)離家?guī)资甑暮⒆釉谛请H空間中向地球家園的呼喚。

除了到日球?qū)禹旐斶M(jìn)行實(shí)地探測外，科學(xué)們也能通過遙感探測來探索日球?qū)禹數(shù)拿孛堋Ｄ壳罢诘厍蚋浇ぷ鞯拿绹詈骄帧毙请H邊界探測器(IBEX)”通過收集不同能級的高能中子來對日球?qū)舆M(jìn)行成像觀測，這些高能中子產(chǎn)生于太陽風(fēng)和星際物質(zhì)在日球?qū)舆吔缟系南嗷プ饔?。通過記錄不同方向上射來的高能中子的通量差異，IBEX的數(shù)據(jù)能夠使科學(xué)家們了解不同方向上太陽風(fēng)與星際物質(zhì)相互作用的強(qiáng)烈程度。然而，遙感探測與實(shí)地探測能夠互相配合和促進(jìn)，卻不能互相替代。我們?nèi)匀恍枰汕哺嗟摹疤綔y隊(duì)員”，才能更好地了解日球?qū)拥男再|(zhì)。這不但可以增進(jìn)我們對所處的太陽系的了解，所得到的結(jié)論還能進(jìn)一步推廣到我們無法實(shí)地探測的宇宙中其他天體系統(tǒng)中。然而，在旅行者1號、2號之后，尚無明確的日球?qū)禹斕綔y計(jì)劃。造訪過冥王星的美國宇航局“新視野號”，搭載的儀器并非為日球?qū)禹斕綔y量身打造，目前也尚不清楚其探測器壽命和運(yùn)行資金能否支持其繼續(xù)進(jìn)行日球?qū)禹數(shù)臄U(kuò)展探測。

▲ 日球?qū)诱w結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 我國學(xué)者提出的基于核反應(yīng)堆的探測器構(gòu)型圖

2019年年初，《中國科學(xué)·信息科學(xué)》雜志刊登了我國學(xué)者對太陽系邊際探測的設(shè)想與計(jì)劃。這些學(xué)者中既有來自航天工業(yè)部門各個(gè)單位的工程師，又有來自北京大學(xué)、中科院等單位從事空間科學(xué)基礎(chǔ)研究的研究人員。在這篇論文中，我國學(xué)者將太陽系邊際探測的目標(biāo)劃分為100天文單位的近期目標(biāo)和1000天文單位的遠(yuǎn)期目標(biāo)，分別設(shè)想在2049年前后和本世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)。在近期目標(biāo)的探測中，他們提出了日球?qū)颖羌狻⑷涨驅(qū)颖羌夥聪蚝腿涨驅(qū)訕O區(qū)這三個(gè)探測方向，而這三個(gè)方向既是兩艘旅行者號探測器尚未探測的盲區(qū)，又是建立起日球?qū)油暾麍D像的關(guān)鍵區(qū)域。當(dāng)然，宏偉的目標(biāo)還需要突破提一系列關(guān)鍵技術(shù)，讓探測器能夠壽命長、飛得快、省燃料，與地球的通信不斷線，運(yùn)行中的小問題能夠自主解決，探測到的科學(xué)數(shù)據(jù)精確可靠。在兩個(gè)旅行者號探測器發(fā)射時(shí)，我國才剛剛擁有了發(fā)射衛(wèi)星的技術(shù)，國家的技術(shù)實(shí)力和綜合國力還遠(yuǎn)達(dá)不到支撐這種復(fù)雜深空任務(wù)的程度。而今天，隨著嫦娥探月工程和火星探測工程等諸多深空探測任務(wù)的開展，去往星際空間，應(yīng)該是通過我們努力就可以有所作為的事情。