進入星際空間後，旅行者二號發現了奇怪的現象

2020-11-18 佰思科學

作者：佰思科學 | 沈東旭 邱亞明


迄今為止，人類有兩艘太空飛行器探測了星際空間。2012年8月25日，NASA宣布，1977年9月5日發射的旅行者一號進入了星際空間。目前旅行者一號距離地球大約151AU（1AU即一個天文單位，是地球到太陽的平均距離，大約1億5千萬公裡）。2018年11月5日，旅行者二號也進入了星際空間。在旅行者二號進入星際空間之後，發現了一個很奇怪的現象。

旅行者一號和二號的大致位置


在講這個奇怪現象之前，我們先科普一下什麼是星際空間。太陽在銀河系裡，沿著銀河平面繞著銀河系中心旋轉。在旋轉過程中，太陽還有上下起伏的運動。從太空中望去，看起來是一種螺旋形的運行軌跡。

太陽在銀河系中的運行軌跡

太陽在發出光芒，給我們帶來光明的同時，也在不停釋放出等離子粒子，形成了所謂的太陽風。太陽風粒子由電子，質子（氫核），α粒子（氦核）等組成。

太陽發射出來的太陽風粒子

可以想像，在太陽距離太陽近的地方，太陽風粒子密度大，隨著距離的增加密度會下降。到了一定距離之後，太空中的粒子，從銀河系來的宇宙射線會上升，而從太陽來的粒子會大幅下降。於是人們將太陽風佔主導的區域定義為太陽圈，heliosphere。太陽圈阻擋了一部分宇宙射線對太陽系內部區域的衝擊，對像地球這樣的大行星有保護性作用。

假想的太陽圈形狀

有人認為，太陽圈就像彗星一樣，拖著長長的尾巴。不過，太陽圈的真實形狀很可能不是那麼完美，或許還與星際物質的分布有關係。最近NASA的一個模型認為，太陽圈長得像法式牛角包（croissant）。

NASA新的太陽圈形狀模型

太陽圈的邊緣被稱作太陽層頂（heliopause）。2018年11月5日，旅行者二號上面的探測器發現，來自於銀河系的宇宙射線粒子開始大幅增加，而太陽風粒子斷崖式減少，這說明旅行者二號開始進入星際空間。下圖是旅行者二號上面的儀器測得的太陽系和銀河系粒子數目。

旅行者二號探測到的粒子數量：上，來自於銀河系的宇宙射線；下，太陽風粒子數

這裡需要注意，進入星際空間和離開太陽系可不是一回事。太陽系的範圍由太陽的引力所決定--太陽系內的物質都在太陽引力的作用下，跟隨著太陽在銀河系中運動。目前兩個旅行者號距離地球大約100多AU。太陽系邊緣區域被稱作奧爾特雲，Oort Cloud，距離太陽最遠估計有10萬AU，大約相當於2光年。按照現在的速度，旅行者一號要穿越奧爾特雲，脫離太陽的引力範圍，還要3萬年。

太陽系的範圍

進入星際空間後，旅行者一號和旅行者二號都發現了一個很奇怪的現象。之前科學家預測，星際空間中等離子體的密度應該很低，如果僅考慮電子，平均每立方釐米應該只有0.002個電子。然而，旅行者一號2013年測得的密度是0.055，旅行者二號2019年測量結果是0.039。

旅行者一號和二號的飛行方向

2020年10月份的The Astrophysical Journal Letters發表了一篇文章，指出旅行者二號發現，在它飛出太陽圈之後，星際空間的密度不僅遠比預計為高，而且隨著距離的增加，密度還在變高。這種現象與旅行者一號的發現相吻合。具體原因尚未有明確的答案。

太陽圈、太陽層頂和旅行者一號、二號的位置

歸根結底，我們身處於太陽圈之內，但對太陽圈的了解卻十分稀少。人類通過兩個旅行者，只是剛剛了解了太陽圈之外的星際空間的模樣。到目前為止，人類發射過的太空飛行器中，還有先鋒10號、先鋒11號，以及執行冥王星飛掠任務的新視野號將飛出太陽系。然而先鋒10號與11號因為能量耗盡，分別於2003和1995年失去了聯繫。

除了新視野號其他四個能飛出太陽系星際飛船

新視野號預計飛到100AU的時間為2038年，從而進入星際空間。然而，新視野號的電池預計在2030年代中後期耗盡，能否對星際空間進行探測尚未可知。

新視野號的軌跡

從2021年開始，受限于越來越低的電力供給，旅行者一號將逐漸關閉科學儀器。預計在2025到2030年間，所有的儀器都會被關閉。而旅行者二號，預計也在2025年之後關閉全部儀器。到那時，人類對星際空間的實地測量將告一段落了。

開發中的SLS運載火箭

近年來，NASA正在開發巨大的SLS運載火箭，能將超過100噸的貨物送入地球低軌道，預計在2021年試射。此外，Space X正在開發中的星艦（Starship），運載能力與SLS相似，也將於2021年後試射。

測試中的SpaceX的Starship

基於這些大型火箭，有人建議開發新的星際探測器，經過一次行星引力加速之後，再啟動火箭，進一步提升探測器的速度。探測器將只用不超過15年就到達距離地球150AU的地方，大致是旅行者號現在的距離。最終在其50年壽命終點時，到達1000AU的位置。假如2035年探測器能發射的話，在2050年前人類將再次獲得星際空間的測量數據。

提議中的星際探測器路線

顯然，人類已經逐漸不滿足於對太陽系內部區域的探測，正將目光投向星際空間。隨著技術的不斷發展，人類必定會走向更遙遠的太空深處。

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