文/小超

▲ 太陽風(fēng)與地球磁層的相互作用，地球磁層為地球提供了保護(hù)

2013年和2018年，分別有媒體發(fā)出“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”已飛出太陽系的報(bào)道。那么，它們是否真的飛出了太陽系？

要解答這個(gè)問題，需要我們首先了解“日球?qū)印边@個(gè)概念。

相信各位讀者在童年時(shí)都曾經(jīng)享受過吹氣球所帶來的快樂時(shí)光。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，太陽也用等離子體吹起了這樣一個(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，空間物理學(xué)家們將這個(gè)氣球稱為“日球?qū)印?。作為迄今為止僅有的兩個(gè)對(duì)日球?qū)舆吔邕M(jìn)行過實(shí)地探測(cè)的飛行器，旅行者1號(hào)和2號(hào)不斷為科學(xué)家們帶來前所未有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，改變著我們對(duì)于日球?qū)拥恼J(rèn)識(shí)。

從太陽出發(fā)

▲日球?qū)诱w結(jié)構(gòu)示意圖

我們?nèi)庋鬯芨惺艿降奶柕墓饷⒋蠖紒碜杂谔柕墓馇驅(qū)?，天文學(xué)家們一般將這里視為太陽的表面。而在太陽表面之上，還存在著豐富的現(xiàn)象。在那里，物質(zhì)并不是以我們?nèi)粘Ｉ钪兴芙佑|到的固、液、氣三態(tài)存在，而是以物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體態(tài)的形式存在。原本被約束在每個(gè)原子核周圍的電子，在獲取足夠的能量后終于獲得了自由，能在物質(zhì)中自由地穿梭。于是，雖然從整體上看，這團(tuán)物質(zhì)并不帶電，仍然呈現(xiàn)中性，但在物質(zhì)內(nèi)部，電子與離子的相互作用卻產(chǎn)生了固、液、氣三態(tài)中所不存在的物理現(xiàn)象。

例如，等離子體能夠與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。在太陽日冕中，磁場(chǎng)所貯存的能量被源源不斷地轉(zhuǎn)化到等離子體中，將等離子體從數(shù)千度加熱到數(shù)百萬度的高溫。在高溫的作用下，等離子體不但向外膨脹，還在磁場(chǎng)凍結(jié)效應(yīng)的作用下攜帶著太陽磁場(chǎng)一起向遙遠(yuǎn)的太空中奔去。由于這種現(xiàn)象與我們?nèi)粘Ｉ钪袝r(shí)常能感受到的風(fēng)有些類似，因此空間物理學(xué)家們給這些等離子體取了一個(gè)形象的名字，叫“太陽風(fēng)”。

眾所周知，地球存在著大致為南北走向的地磁場(chǎng)。除了能通過指南針為我們指示方向外，地磁場(chǎng)還能為我們提供阻擋太陽風(fēng)侵襲的屏障。由于等離子體和磁場(chǎng)的相互作用，大部分太陽風(fēng)等離子體在地球附近必須繞道而行。而當(dāng)行星際磁場(chǎng)指向特定方向時(shí)，地磁場(chǎng)便會(huì)被打開，太陽風(fēng)粒子在經(jīng)歷一系列加速過程后沿著地磁場(chǎng)到達(dá)南北兩極，形成絢爛的極光。而像火星這樣不具備較強(qiáng)內(nèi)稟磁場(chǎng)的行星，太陽風(fēng)則可以直接吹拂它的大氣層。目前有觀點(diǎn)認(rèn)為，火星的大氣層之所以比較稀薄，就是由于太陽風(fēng)對(duì)大氣層的破壞。

除了與地球等行星相遇時(shí)，會(huì)與行星發(fā)生相互作用外，在大部分空間中，太陽風(fēng)都會(huì)無拘無束地以近乎不變的速度奔向遠(yuǎn)方，直到它們?cè)谌涨驅(qū)拥倪吔缗c星際物質(zhì)相遇。

與星際物質(zhì)相遇

▲ 旅行者1號(hào)和2號(hào)從不同方向飛出了日球?qū)?，旅行?號(hào)位于黃道面以北，旅行者2號(hào)位于黃道面以南

當(dāng)某一個(gè)地方揚(yáng)起一陣灰塵時(shí)，我們?cè)谝欢尉嚯x之外就能察覺出灰塵的存在，因?yàn)榛覊m使得它后面的物體在視覺上變得模糊?；陬愃频挠^測(cè)原理，在人類能夠發(fā)射航天器之前，科學(xué)家們就已經(jīng)在恒星等天體的光譜信息中，找到了星際物質(zhì)的蛛絲馬跡，并大致確定了行星際物質(zhì)的密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理性質(zhì)。在美國(guó)物理學(xué)家尤金·帕克教授于上世紀(jì)五十年代最先提出太陽風(fēng)理論時(shí)，星際物質(zhì)的密度和壓強(qiáng)觀測(cè)證據(jù)是他否定靜止日冕理論，并排除自己物理模型的幾種不合理解的關(guān)鍵證據(jù)。

隨著與太陽距離的增加，雖然太陽風(fēng)的速度不會(huì)發(fā)生太大的變化，但太陽風(fēng)的密度卻會(huì)越來越低。在冥王星的軌道以外，他們的向前奔馳“沖勁”不再充足，不足以支撐他們克服在宇宙空間中廣泛存在的星際物質(zhì)的阻礙，難以再繼續(xù)自由向前。然而，和開車的司機(jī)遇到紅燈便踩下剎車、平穩(wěn)減速停車的過程不同的是，以超音速奔馳的太陽風(fēng)無法將前面所遇到的阻礙信息“傳遞”給隨后涌來的太陽風(fēng)，與恒星物質(zhì)的相遇更像是一次大霧天氣中的“車禍”，接踵而至的太陽風(fēng)等離子體不斷碰撞壓縮前方已經(jīng)減速的等離子體，形成了一道“終止激波”。在經(jīng)過終止激波之后的過渡后，太陽風(fēng)等離子體最終與星際物質(zhì)交會(huì)。太陽風(fēng)所能影響的空間范圍，被空間物理學(xué)家們稱為“日球?qū)印?，而太陽風(fēng)與星際物質(zhì)相會(huì)的地方，則被稱為“日球?qū)禹敗薄?/p>

通過簡(jiǎn)單計(jì)算，就能大致推算出日球?qū)禹斒俏挥谮ね跣擒壍乐狻⒕嚯x太陽相當(dāng)遙遠(yuǎn)的地方。而日球?qū)拥恼w結(jié)構(gòu)，目前主要通過數(shù)值模擬和遙感觀測(cè)的方法獲得。在使用數(shù)值模擬時(shí)，科學(xué)家們首先使用一套方程組來描述太陽風(fēng)物理性質(zhì)的變化。之后，先使用數(shù)學(xué)方法對(duì)方程進(jìn)行“處理”，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行運(yùn)算的形式，再編制代碼，形成數(shù)值模擬程序?？茖W(xué)家們先將太陽風(fēng)和星際物質(zhì)的基本情況賦值到計(jì)算機(jī)的虛擬世界中，之后運(yùn)行數(shù)值程序，計(jì)算機(jī)就能通過解算方程的方式讓太陽風(fēng)和星際物質(zhì)在虛擬的世界中相互作用。當(dāng)兩者的作用逐漸達(dá)到平衡，模擬區(qū)域中的解不再發(fā)生明顯的變化時(shí)，即可將計(jì)算結(jié)果的數(shù)值表達(dá)成容易看到的圖像和圖表。我們目前所能看到的日球?qū)诱w結(jié)構(gòu)圖，大都是根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到的。在這些圖像中，日球?qū)又圆皇且粋€(gè)圓球，而是呈現(xiàn)向一個(gè)方向拉伸的橢球裝，是因?yàn)檎麄€(gè)太陽系正在環(huán)繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)星際物質(zhì)本身也帶有一定的速度。太陽與日球?qū)訖E球結(jié)構(gòu)距離它最近的那個(gè)位置的聯(lián)系，指向太陽相對(duì)星際物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向。

▲ 旅行者2號(hào)穿越日球?qū)禹敃r(shí)探測(cè)到的太陽風(fēng)粒子通量和宇宙線通量所發(fā)生的變化

而太陽與星際物質(zhì)相互作用的一些產(chǎn)物進(jìn)入太陽系中后，也可以被探測(cè)器捕捉到，進(jìn)而通過遙感觀測(cè)的方式洞悉日球?qū)拥拿孛?。目前正在軌工作的美?guó)宇航局“星際邊界探測(cè)器”(IBEX)通過收集不同能級(jí)的高能中子來對(duì)日球?qū)舆M(jìn)行成像觀測(cè)，這些高能中子產(chǎn)生于太陽風(fēng)和星際物質(zhì)在日球?qū)舆吔缟系南嗷プ饔谩Ｍㄟ^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。

“旅行者號(hào)”傳佳音

空間物理學(xué)是一門以衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的學(xué)科，雖然我們已經(jīng)了解了日球?qū)拥拇笾滦螒B(tài)，但沒有衛(wèi)星在終止激波、日球?qū)禹數(shù)葏^(qū)域的實(shí)地探測(cè)，我們就很難對(duì)那里所發(fā)生的物理過程有確切的了解。在完成對(duì)大行星的探測(cè)任務(wù)后，“旅行者號(hào)”繼續(xù)向著日球?qū)拥倪吔邕M(jìn)發(fā)。

2004年11月，“旅行者1號(hào)”在距離太陽94AU（天文單位）的地方成功地穿越了日球?qū)拥慕K止激波。2007年8月，“旅行者2號(hào)”則在距離太陽84AU的地方完成了同樣的活動(dòng)。此前，科學(xué)家們一致認(rèn)為一些在地球上探測(cè)到的、并非來自于太陽的高能粒子，是星際物質(zhì)在終止激波中加速獲得能量而形成的。然而，“旅行者1號(hào)”的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中并沒有發(fā)現(xiàn)科學(xué)家們所期望的加速現(xiàn)象，給了科學(xué)家們繼續(xù)進(jìn)行研究的啟發(fā)。

在旅行者1號(hào)和2號(hào)上，均裝配了用來測(cè)量太陽風(fēng)粒子的等離子體譜儀（PLS），當(dāng)這種譜儀測(cè)到的太陽風(fēng)粒子通量密度明顯降低時(shí)，旅行者號(hào)探測(cè)器便不再受到太陽風(fēng)吹拂，基本可以證實(shí)它們已經(jīng)穿過日球?qū)禹?，處在了星際空間中。

然而，“旅行者1號(hào)”的PLS早在1980年便已經(jīng)罷工了。當(dāng)“旅行者1號(hào)”在2012年進(jìn)入星際空間時(shí)，科學(xué)家們頗費(fèi)了一番周折，才在太陽的助攻下確認(rèn)了“旅行者1號(hào)”的成功。2012年3月，太陽爆發(fā)了一次強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射。13個(gè)月之后，這次爆發(fā)傳播到了旅行者號(hào)飛船所在的位置，“旅行者1號(hào)”上還能工作的等離子體波動(dòng)探測(cè)儀器記錄下了這次爆發(fā)所帶來的波動(dòng)。通過波動(dòng)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們間接推測(cè)出了“旅行者1號(hào)”所在位置的電子密度，發(fā)現(xiàn)電子密度的值與星際物質(zhì)的特征一致，與太陽風(fēng)則相差幾個(gè)量級(jí)。由此，科學(xué)家們才確定“旅行者1號(hào)”已經(jīng)進(jìn)入了星際空間。當(dāng)旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)對(duì)之前的數(shù)據(jù)重新分析后，發(fā)現(xiàn)一些相對(duì)微弱的波動(dòng)表明，“旅行者1號(hào)”早在2012年8月就已經(jīng)在距離太陽121AU的地方完成了穿越日球?qū)禹數(shù)膲雅e，進(jìn)入星際空間。

▲ 旅行者2號(hào)飛行征途示意圖

而“旅行者2號(hào)”的PLS至今仍在正常工作。2018年11月5日，在“旅行者2號(hào)”傳回地太陽風(fēng)數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)了粒子密度的突然下降。也就是說，在180億公里之外，“旅行者2號(hào)”感受到，身邊吹拂的太陽風(fēng)突然消失了，它進(jìn)入了一片全新的世界中?？茖W(xué)家們由此確認(rèn)，“旅行者2號(hào)”已經(jīng)穿過日球?qū)禹?，進(jìn)入星際空間中。除了太陽風(fēng)粒子的密度數(shù)據(jù)外，“旅行者2號(hào)”所探測(cè)到的銀河宇宙線通量增加也進(jìn)一步證實(shí)了它已處于星際空間的事實(shí)。銀河宇宙線是來自于太陽系以外的高能輻射。由于日球?qū)拥钠帘巫饔?，只有一部分銀河宇宙線可以傳播到日球?qū)又畠?nèi)。同時(shí)，日球?qū)觾?nèi)的宇宙線強(qiáng)度也受太陽活動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)太陽活動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，就能更多地將宇宙線屏蔽在日球?qū)右酝猓沟厍蛏辖邮盏降挠钪婢€輻射通量減少。而在日球?qū)又?，宇宙線的通量就會(huì)變得相對(duì)更強(qiáng)。

太陽系的邊界到底在哪里？不同的人可能會(huì)給出不同的答案。目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，太陽系的邊界位于距離太陽約2光年（10萬AU）的奧爾特云。雖然沒有直接的探測(cè)證據(jù)，但間或造訪太陽系內(nèi)部的長(zhǎng)周期彗星使科學(xué)家們推斷，奧爾特云是這些彗星的發(fā)源地。由于奧爾特云依然受到太陽引力的作用，因此這里被一些學(xué)者當(dāng)作太陽系引力和結(jié)構(gòu)上的邊緣。然而，也有的學(xué)者認(rèn)為，從另一個(gè)角度講，太陽的光和引力理論上可以延伸到無窮遠(yuǎn)，但太陽系顯然不能包羅全部的宇宙，因此也有人認(rèn)為日球?qū)禹敇?biāo)志著太陽風(fēng)影響的終結(jié)，跨入星際物質(zhì)后就已經(jīng)辦妥了從太陽系的“出境”手續(xù)。因此，在本次對(duì)“旅行者2號(hào)”和之前對(duì)“旅行者1號(hào)”進(jìn)入星際空間的報(bào)道中，有不少媒體使用了“飛出太陽系”的字眼。至于這個(gè)說法是否恰當(dāng)，就見仁見智了。

和用了太久的手機(jī)電池就會(huì)供電不足一樣，為旅行者號(hào)探測(cè)器供電的同位素?zé)犭姵氐妮敵龉β收悦磕?瓦的速度衰減。到2020年，飛船將不得不關(guān)閉所有的科學(xué)探測(cè)儀器，用僅有的供電維持飛船與地球的通信。在這之前，這兩個(gè)制造發(fā)射于上世紀(jì)七十年代的老爺探測(cè)器將會(huì)不斷把人類對(duì)太空進(jìn)行科學(xué)探索的疆域向前推進(jìn)，為我們帶來關(guān)于星際物質(zhì)的令人激動(dòng)的探測(cè)數(shù)據(jù)。