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(yáng)也用太陽(yáng)風(fēng)體吹起了這樣一個(gè)“氣球”，而星際物質(zhì)的存在則使得這個(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)?rdquo;。而太陽(yáng)風(fēng)與星際物質(zhì)相交會(huì)的地方，則被稱為“日球?qū)禹?rdquo;。來(lái)自太陽(yáng)系內(nèi)部的飛行器，一旦越過(guò)日球?qū)禹?，就脫離了太陽(yáng)風(fēng)所能影響的空間范圍，進(jìn)入了“星際穿越”的新旅程中。

日球?qū)哟笾陆Y(jié)構(gòu)示意圖，圖中Heliosphere為”日球?qū)?ldquo;，Heliopause為”日球?qū)禹?ldquo;，Termination Shock 為”終止激波“，Heliosheath為”日球鞘層“，Voyeger 1和Voyager 2分別為“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”。(圖片來(lái)源：NASA)

太陽(yáng)帶領(lǐng)整個(gè)太陽(yáng)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(yáng)的距離約為一百多個(gè)天文單位(AU)，也就是地球與太陽(yáng)之間距離的100多倍(1天文單位=日地平均距離)。

作為人類(lèi)目前飛的最遠(yuǎn)的探測(cè)器，美國(guó)于1977年發(fā)射的旅行者1號(hào)與旅行者2號(hào)，在2012年8月和2018年11月分別完成了日球?qū)禹數(shù)拇┰健?/p>

旅行者1號(hào)在地球軌道面(黃道面)以北的位置穿越日球?qū)禹?，穿越時(shí)與太陽(yáng)的距離為121.7天文單位。旅行者2號(hào)則從黃道面以南穿越日球?qū)禹敚┰綍r(shí)距離太陽(yáng)119.0天文單位。由于旅行者2號(hào)上的等離子體譜儀(PLS)依然能夠正常工作，并沒(méi)有像旅行者1號(hào)的PLS一樣在上世紀(jì)八十年代就宣告罷工，科學(xué)家們對(duì)旅行者2號(hào)的星際穿越能夠帶來(lái)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)寄予了更大的期望。

本次公布的觀測(cè)結(jié)果中，所發(fā)現(xiàn)的日球?qū)禹敻浇呢S富而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[1])

北京時(shí)間2019年11月5日0點(diǎn)，《自然·天文》期刊在線發(fā)表了五篇論文，從不同的方面介紹了旅行者2號(hào)和旅行者1號(hào)在星際空間中看到的新鮮事。通過(guò)這兩個(gè)探測(cè)器的觀測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)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(wèn)題的同時(shí)，這些探測(cè)結(jié)果也為未來(lái)的日球?qū)舆呺H探測(cè)提出了更多新的問(wèn)題，有待我們研制發(fā)射更多的探測(cè)器去回答。

Part.1

星際穿越新鮮事

旅行者1號(hào)等離子體譜儀的罷工，科學(xué)家們不得不采用另一種方式來(lái)推測(cè)它所在位置的電子密度。無(wú)論是太陽(yáng)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)成的。在等離子體中，已經(jīng)被電離的電子和離子與電磁場(chǎng)高度耦合，電磁場(chǎng)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(hào)上，測(cè)量等離子體中電磁場(chǎng)波動(dòng)的儀器仍然在工作。一旦從太陽(yáng)噴薄而出的爆發(fā)，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的傳播到達(dá)旅行者1號(hào)飛船附近，在旅行者1號(hào)所在的位置產(chǎn)生比較明顯的電磁波動(dòng)，科學(xué)家們就能夠利用這寶貴的機(jī)會(huì)，計(jì)算出旅行者1號(hào)附近的等離子體密度。幫助科學(xué)家們確認(rèn)旅行者1號(hào)已經(jīng)處于星際空間的，就是2012年發(fā)生的一次爆發(fā)。

旅行者號(hào)探測(cè)器外觀。

在本次發(fā)表的有關(guān)等離子體密度觀測(cè)的論文中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)用電磁場(chǎng)波動(dòng)推測(cè)電子密度的測(cè)量方法是靠譜的。從旅行者2號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，由等離子體譜儀直接測(cè)量的電子密度和用電磁波波動(dòng)推測(cè)的電子密度基本一致。同時(shí)，旅行者2號(hào)與旅行者1號(hào)探測(cè)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(guò)日球?qū)禹?，密度將躍升20-50倍的理論計(jì)算結(jié)果。

利用幾次爆發(fā)事件獲得的探測(cè)機(jī)會(huì)而獲得的旅行者1號(hào)所在位置的密度情況。(圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[2])

利用旅行者1號(hào)穿越日球?qū)禹?、?lái)到星際空間之后又遇到的幾次探測(cè)機(jī)會(huì)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)旅行者一號(hào)探測(cè)到的密度越來(lái)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(wú)法前進(jìn)后堆積而成的，而旅行者1號(hào)現(xiàn)在剛好爬上了這座山峰的峰頂。能否如理論預(yù)測(cè)的一樣在未來(lái)“下山“，以及旅行者2號(hào)是否會(huì)爬上這座“山峰”，就有待進(jìn)一步觀測(cè)的證實(shí)了。有趣的是，25年前，兩艘旅行者號(hào)上的射電觀測(cè)設(shè)備就曾經(jīng)通過(guò)遙感觀測(cè)的方式發(fā)現(xiàn)過(guò)這個(gè)邊界層的存在。而25年后，她們終于走到了那里，親自爬上了這座她們?cè)?jīng)“遠(yuǎn)眺”過(guò)的“山峰”。

旅行者2號(hào)發(fā)現(xiàn)的“磁場(chǎng)屏障”(Magnetic barrier)，可見(jiàn)在穿過(guò)磁場(chǎng)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。(參考來(lái)源：文獻(xiàn)[3])

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，除了成天要待在天上的空乘人員需要對(duì)此進(jìn)行留意外，旅客們?cè)谝话闱闆r下不用擔(dān)心銀河宇宙線的輻射劑量會(huì)帶來(lái)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?chǎng)觀測(cè)的論文中，通過(guò)旅行者2號(hào)的探測(cè)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)油猓艌?chǎng)強(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(guò)一個(gè)過(guò)渡區(qū)域逐漸發(fā)生的。在穿過(guò)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)過(guò)渡區(qū)域成為“磁場(chǎng)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(cè)，磁場(chǎng)屏障有可能是日球?qū)觾?nèi)外的磁場(chǎng)通過(guò)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(hào)穿越日球?qū)禹敃r(shí)，探測(cè)到了出乎科學(xué)家們意料的一個(gè)情況：磁場(chǎng)方向在日球?qū)觾?nèi)外沒(méi)有發(fā)生太大的變化。

旅行者2號(hào)的觀測(cè)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。

旅行者1號(hào)(紅線)在穿越日球?qū)禹斍八^測(cè)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(hào)觀測(cè)數(shù)據(jù)。旅行者1號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)對(duì)齊。(參考來(lái)源：文獻(xiàn)[4] )

實(shí)際上，“磁場(chǎng)屏障”可能也并非鐵板一塊，在另一篇專(zhuān)門(mén)討論宇宙線觀測(cè)論文中，科學(xué)家們展示了旅行者1號(hào)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)性的短時(shí)快速變化。旅行者2號(hào)在日球?qū)觾?nèi)沒(méi)有遇到這樣的事件，但其在日球?qū)油庥^測(cè)到的宇宙線特性，與旅行者1號(hào)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(shuō)明，宇宙線可能通過(guò)什么機(jī)制穿透了磁場(chǎng)屏障，可以短時(shí)少量的入侵到了日球?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(hào)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?jī)?nèi)，厚度也相對(duì)較大，有1.5個(gè)天文單位。從太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)的速度呈現(xiàn)降低的態(tài)勢(shì)。這與旅行者1號(hào)觀測(cè)到的情況有所不同。旅行者1號(hào)觀測(cè)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(hào)觀測(cè)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。

Part.2

更多問(wèn)題有待揭示

本次公布的結(jié)果再次表明，日球?qū)禹敳⒎窍駳馇虻耐馄ひ粯樱侨涨驅(qū)优c星際物質(zhì)的簡(jiǎn)單分隔。無(wú)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(guò)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)姆较颍际侨涨驅(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(wú)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)家們可能在明年就不得不關(guān)閉所有的科學(xué)儀器，無(wú)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(wú)法支撐旅行者號(hào)飛船最基本的運(yùn)行和通信。那時(shí)，我們將不得不中斷與兩搜探測(cè)器的聯(lián)系，再也聽(tīng)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喊。

旅行者號(hào)40周年紀(jì)念海報(bào)。

除了到日球?qū)禹旐斶M(jìn)行實(shí)地探測(cè)外，科學(xué)們也能通過(guò)遙感探測(cè)來(lái)探索日球?qū)禹數(shù)拿孛?。目前正在地球附近工作的NASA“星際邊界探測(cè)器”(IBEX)通過(guò)收集不同能級(jí)的高能中子來(lái)對(duì)日球?qū)舆M(jìn)行成像觀測(cè)，這些高能中子產(chǎn)生于太陽(yáng)風(fēng)和星際物質(zhì)在日球?qū)舆吔缟系南嗷プ饔?。通過(guò)記錄不同方向上射來(lái)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(yáng)風(fēng)與星際物質(zhì)相互作用的強(qiáng)烈程度。然而，遙感探測(cè)與實(shí)地探測(cè)能夠互相配合和促進(jìn)，卻不能彼此替代。我們?nèi)匀恍枰汕哺嗟?ldquo;探測(cè)隊(duì)員”，才能更好的了解日球?qū)拥男再|(zhì)。這不但可以增進(jìn)我們對(duì)所處的太陽(yáng)系的了解，所得到的結(jié)論還能進(jìn)一步推廣到我們無(wú)法實(shí)地探測(cè)的宇宙中其他天體系統(tǒng)中。在旅行者1號(hào)、2號(hào)之后，尚無(wú)明確的日球?qū)禹斕綔y(cè)計(jì)劃。造訪過(guò)冥王星的NASA新視野號(hào)，搭載的儀器并非為日球?qū)禹斕綔y(cè)量身打造，目前也尚不清楚其探測(cè)器壽命和運(yùn)行資金能否支持她繼續(xù)進(jìn)行日球?qū)禹數(shù)臄U(kuò)展探測(cè)。

IBEX數(shù)據(jù)繪制的高能通量分布圖。

今年年初，《中國(guó)科學(xué)·信息科學(xué)》期刊刊登了我國(guó)學(xué)者對(duì)太陽(yáng)系邊際探測(cè)的設(shè)想與計(jì)劃。這些學(xué)者中既有來(lái)自航天工業(yè)部門(mén)各個(gè)單位的工程師學(xué)者，又有來(lái)自北京大學(xué)、中科院等單位從事空間科學(xué)基礎(chǔ)研究的學(xué)者。在這篇論文中，我國(guó)學(xué)者將太陽(yáng)系邊際探測(cè)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(cè)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(cè)方向，而這三個(gè)方向既是兩艘旅行者號(hào)飛船尚未探測(cè)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(cè)器能夠壽命長(zhǎng)、飛的快、省燃料，與地球的通信不斷線，運(yùn)行中的小問(wèn)題能夠自主解決，探測(cè)到的科學(xué)數(shù)據(jù)精確可靠。

在兩艘旅行者號(hào)飛船發(fā)射時(shí)，我國(guó)才剛剛擁有了發(fā)射衛(wèi)星的技術(shù)，國(guó)家的技術(shù)實(shí)力和綜合國(guó)力也遠(yuǎn)達(dá)不到支撐這種復(fù)雜深空任務(wù)的程度。而在今天，隨著嫦娥探月工程和火星探測(cè)工程等諸多深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展，去往星際空間，應(yīng)該是通過(guò)我們努力就可以有所作為的事情。

我國(guó)學(xué)者提出的基于核反應(yīng)堆的探測(cè)器構(gòu)型圖。

來(lái)源：中國(guó)科普博覽

關(guān)鍵詞： 旅行者2號(hào) 穿越