我們從軌道計(jì)算說起吧。在天文學(xué)中有一個叫作天體力學(xué)的分支學(xué)科，是專門研究天體運(yùn)行軌道的。運(yùn)用天體力學(xué)計(jì)算外行星軌道時(shí)發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)70－80年代，木星、土星、天王星、海王星等4顆外行星的幾何位置有利于飛船觀測。只要飛船在一個特別的軌道上飛行，接近每一顆行星后增加飛行速度，使軌道彎曲，讓飛船航向指向第二顆行星，就能在一次飛行中觀測4顆大行星。這個方法被稱為“引力援助”技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)，就可以用最少的推進(jìn)劑和旅行時(shí)間觀測4顆大行星，從而把飛往海王星的時(shí)間從30年減少到12年。利用引力援助技術(shù)，軌道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。為了利用引力援助技術(shù)研究木星、土星、木星衛(wèi)星“伊奧”、土星衛(wèi)星“提坦”、天王星和海王星，科學(xué)家設(shè)計(jì)了1萬多個飛行軌道?！奥眯姓撸?號”采用的正是其中的一個。

一艘飛船飛近幾顆大行星需采用引力援助技術(shù)，那么飛往一顆大行星的情況又怎么樣呢?根據(jù)天體力學(xué)知識，任何飛行器一旦進(jìn)入軌道，就由牛頓定律編制的樊籠緊緊罩住，即只準(zhǔn)在科學(xué)家設(shè)置好的軌道上運(yùn)行。在這種軌道上飛行的飛船所受的各種力是平衡的，因此飛船處于自由運(yùn)動狀態(tài)。根據(jù)牛頓運(yùn)動第一定律，處在自由運(yùn)動狀態(tài)下的運(yùn)動物體不需要任何外力作用。因此，進(jìn)入軌道以后的飛船如果沒有外力干擾，是不“吃煙火之食”，不需要任何燃料和動力的，而且能夠長期運(yùn)行下去。方向和速度都不改變。如果對它施加動力，或者人為地改變飛船的航向，飛船的運(yùn)動就發(fā)生變化，就不能繼續(xù)在原來的軌道上飛行。同樣，如果要改變飛行軌道，就要給它施加動力或改變飛船的航向?！奥眯姓摺闭抢眠@條規(guī)律在浩浩太空中飛行的。

“旅行者”的飛行軌道是比較復(fù)雜的，它首先要飛向木星，其次要從飛向木星的軌道轉(zhuǎn)到環(huán)繞木星的軌道，其三要從環(huán)繞木星的飛行軌道轉(zhuǎn)到飛向土星、天王星、海王星的軌道，等等?！奥眯姓撸?號”離開海王星飛向太陽系邊境時(shí)，還要再一次改變軌道。在這些改變軌道的過程中，因?yàn)檫\(yùn)動狀態(tài)要發(fā)生變化，必須為飛船提供動力或改變飛船的航向。因此，飛船在行星際空間飛行時(shí)由于基本上不受外力作用因而不消耗燃料，但是在從一個軌道過渡到另一個軌道時(shí)則必須提供動力。后一項(xiàng)工作通常用兩種方法來完成，一是借助大行星引力，如“旅行者”離開木星、土星、天王星和海王星那樣，二是給火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，利用火箭的動力來改變軌道。

在“旅行者－2號”離開海王星之前，“旅行者”已在太陽系里跋涉了12年。在這漫長的12年中，雖然在大多數(shù)時(shí)間里不需要燃料和動力，但在改變飛船軌道時(shí)和飛船上儀器設(shè)備工作時(shí)則需要電能?！奥眯姓摺钡哪茉磸哪睦飦砟?在太陽系內(nèi)飛行時(shí)，因?yàn)樗逶≡陉柟饫?，飛船上的太陽能電池帆板可以提供電能。但“旅行者”的目標(biāo)是到太陽系外飛行，而且要在那里進(jìn)行觀測。太陽系外的陽光是極其微弱的，到了那里，飛船上的太陽能電池帆板不再能產(chǎn)生電能。這時(shí)，飛船上的電能是自給自足的?！奥眯姓摺憋w船上裝備了3架放射性熱電發(fā)生器，這些發(fā)生器的熱量是由二氧化钚天然衰變產(chǎn)生的，能在遙遠(yuǎn)、黑暗和寒冷的環(huán)境下工作，因此在離開地球27年后的今天，“旅行者”仍然在繼續(xù)工作。

太陽系邊境風(fēng)光

太陽系邊境在哪里?這是一個難以回答的問題，因?yàn)樘栂颠吔缙鋵?shí)是人們想象出來的一個概念，它與國界和區(qū)域界限是不同的，實(shí)際上天空中并不存在這樣一個區(qū)域。以前，科學(xué)家把太陽引力所及的范圍視為太陽系邊界，把在太陽引力作用下運(yùn)動的天體看作太陽系成員。冥王星是受太陽引力作用的最遙遠(yuǎn)的天體，所以認(rèn)為冥王星位于太陽系的邊界。

實(shí)際上，這樣一個概念是非常模糊的。從理論上講，引力可以無限延伸，太陽的引力可以延伸到銀河系以外。然而，根據(jù)萬有引力定律，引力和距離的平方成反比，因此在很大的距離上，引力的實(shí)際作用很小。例如，我們站在地球上，既受到地球引力的作用，也受到月球引力的作用，但在地球上，地球的引力是主要的，而到了月球上，月球的引力就起主要作用了。我們可以這樣設(shè)想，每個天體都有一個引力作用范圍，在這個范圍內(nèi)，主要受這個天體的引力控制，在引力范圍之外這個天體就鞭長莫及了。太陽的引力作用范圍有3種數(shù)值：在0.45萬個天文單位(太陽到地球的距離叫做天文單位，1個天文單位等于15億千米)內(nèi)是“引力范圍”，在2.6萬個天文單位內(nèi)是“作用范圍”，在3.23萬個天文單位內(nèi)是“希爾范圍”。冥王星在很扁的橢圓軌道上運(yùn)行，它到太陽的最近距離是29.38個天文單位，位于海王星軌道附近；最遠(yuǎn)距離等于49.30個天文單位，離開海王星軌道有20個地球到太陽距離之遙。然而，雖然冥王星在太陽系各大行星中位于離太陽最遠(yuǎn)的一點(diǎn)上，但也比“引力范圍”小將近100倍。所以，太陽系的邊界應(yīng)當(dāng)比冥王星軌道遠(yuǎn)得多。

另一方面，位于太陽系外圍的3顆大行星——天王星、海王星和冥王星都不是老老實(shí)實(shí)地在自己的軌道上“走路”，它們像醉漢一樣，左一腳右一腳地踉踉蹌蹌地行走。這種情況首先在天王星上發(fā)現(xiàn)。根據(jù)這種“行走”方式，天文學(xué)家計(jì)算出天王星軌道外有一顆行星。后來根據(jù)計(jì)算，觀測者果然找到了一顆行星，這就是海王星。海王星發(fā)現(xiàn)后，也存在“醉態(tài)”，因此天文學(xué)家認(rèn)為海王星軌道外還有行星。經(jīng)過長時(shí)間尋找，也找到了一顆行星，這就是冥王星。冥王星找到后，也存在“醉漢走路”的現(xiàn)象。這是不是說明冥王星軌道外還有“冥外行星”呢?這個問題吸引了許多天文學(xué)家。但是，直到現(xiàn)在，“冥外行星”還是鏡中花、水中月，想得到，難見面。

研究太陽系邊境還有兩件事需要提一下。

一是發(fā)現(xiàn)了冥王星衛(wèi)星。1978年美國海軍天文臺的天文學(xué)家克里斯蒂從拍攝到的天空照片上發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：冥王星表面像是“長了瘡”——邊緣上出現(xiàn)了凸起物。經(jīng)過分析，他大膽提出這個凸起物是冥王星衛(wèi)星的像。后經(jīng)“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”證實(shí)，這確實(shí)是冥王星的一顆衛(wèi)星，取名“卡戎”。卡戎發(fā)現(xiàn)后，被用來推算冥王星的半徑和質(zhì)量，結(jié)果令天文學(xué)家大吃一驚，原來，冥王星的半徑只有2274千米，比月亮大不了多少，連水星的一半都不到，比原先估計(jì)值小得多。冥王星不僅在大行星行列里排在最后，就是同太陽系里大衛(wèi)星相比，也只能算作“老八”。這一下，冥王星的大行星地位動搖了。

二是柯伊伯帶的提出。1951年，美國科學(xué)家柯伊伯提出，太陽系邊緣存在一群彗星狀的小天體，分布在盤狀的區(qū)域里。后來人們稱海王星以外30－50個天文單位的區(qū)域?yàn)榭乱敛畮?，帶?nèi)的天體為柯伊伯天體。為了尋找柯伊伯天體，天文學(xué)家觀測了幾十年。但“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”。30年匆匆過去，1987年，兩個年輕的科學(xué)家——杰威特和盧烏決心探個究竟。他們把望遠(yuǎn)鏡指向太陽系邊緣，苦苦守候了5年，到1992年才終于有了結(jié)果。他們在離太陽44個天文單位的地方找到了一顆小行星，這是在柯伊伯帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆小行星。此后，柯伊伯小行星紛紛涌現(xiàn)出來。到2002年6月，在柯伊伯帶內(nèi)已找到了562顆小行星。這些小行星分成兩類：一類軌道近似圓形，稱為柯伊伯天體；另一類軌道是較扁的橢圓形，稱為海外天體。杰威特還估計(jì)，這里的小行星總質(zhì)量可達(dá)到地球質(zhì)量的1/10，是木星和火星。