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

北京時間2019年11月5日0點，《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。通過這兩個探測器的觀測，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽風和星際物質(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，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>

當我們用力將空氣吹入氣球時，氣球便在氣球內(nèi)外壓強差的作用下向外膨脹，而當我們吹好氣球、將口扎緊時，氣球內(nèi)外壓強的平衡使得氣球總能保持圓滾滾的形狀。在太空之中，太陽也用太陽風體吹起了這樣一個“氣球”，而星際物質(zhì)的存在使得這個“氣球”擁有了特別的大小與形狀，科學(xué)家們將這個氣球稱為“日球?qū)印?。而太陽風與星際物質(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?，就脫離了太陽風所能影響的空間范圍，進入了“星際穿越”的新旅程中。

太陽帶領(lǐng)整個太陽系在銀河系中運動，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┰?。“旅行?號”在地球軌道面（黃道面）以北的位置穿越日球?qū)禹?，穿越時與太陽的距離為121.7天文單位?！奥眯姓?號”則從黃道面以南穿越日球?qū)禹?，穿越時距離太陽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會，計算出“旅行者1號”附近的等離子體密度。幫助科學(xué)家們確認“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推測的電子密度基本一致。同時，“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，進一步證實了跨過日球?qū)禹?，密度將躍升20～50倍的理論計算結(jié)果。

利用“旅行者1號”穿越日球?qū)禹?、來到星際空間之后又遇到的幾次探測機會，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€邊界層，目前的一種觀點認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”，有待進一步觀測證實了。

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事件，分別位于Day280 和Day 300。藍線為“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，經(jīng)常坐飛機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行留意外，旅客們在一般情況下不用擔心銀河宇宙線的輻射劑量會帶來什么風險，因為我們?nèi)涨驅(qū)泳褪倾y河宇宙線的另一個屏障。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?，磁場強度如科學(xué)家們預(yù)想的那樣出現(xiàn)了約4～5倍的增加，而這個變化是通過一個過渡區(qū)域逐漸發(fā)生的。在穿過這個區(qū)域時，銀河宇宙線的強度也發(fā)生了較大的增加。科學(xué)家們將這個區(qū)域稱為“磁場屏障”，正是這個屏障阻擋了能量較高的銀河宇宙線進入日球?qū)赢斨小？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，形成的一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。此外，“旅行者1號”穿越日球?qū)禹敃r，探測到了出乎科學(xué)家們意料的一個情況：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”的觀測進一步證實了這個情況。探究這個現(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事件。如同心跳的脈沖一樣，這兩次增強呈現(xiàn)的都是偶發(fā)性短時快速變化。“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制穿透了磁場屏障，可以短時少量入侵到日球?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)了兩個邊界層。第一個邊界層比較靠內(nèi)，厚度也相對較大，有1.5個天文單位。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?，另一個厚度只有0.06天文單位的邊界層中，等離子體遠離太陽的速度呈現(xiàn)降低的態(tài)勢。這與“旅行者1號”觀測到的情況有所不同?！奥眯姓?號”觀測到了等離子體在到達日球?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邊界層之前都持續(xù)保持昂揚向前姿態(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窍駳馇虻耐馄ひ粯樱侨涨驅(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力學(xué)結(jié)構(gòu)。同時，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)進行了探測，但這對于勾勒出日球?qū)拥耐暾Y(jié)構(gòu)還遠遠不夠。例如，兩艘探測器所穿越日球?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)，則尚無定論。有學(xué)者認為，如果星際物質(zhì)中的磁場占主導(dǎo)地位，那么整個日球?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周年紀念海報

▲ 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行和通信。那時，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行實地探測外，科學(xué)們也能通過遙感探測來探索日球?qū)禹數(shù)拿孛?。目前正在地球附近工作的美國宇航局”星際邊界探測器(IBEX)”通過收集不同能級的高能中子來對日球?qū)舆M行成像觀測，這些高能中子產(chǎn)生于太陽風和星際物質(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與星際物質(zhì)相互作用的強烈程度。然而，遙感探測與實地探測能夠互相配合和促進，卻不能互相替代。我們?nèi)匀恍枰汕哺嗟摹疤綔y隊員”，才能更好地了解日球?qū)拥男再|(zhì)。這不但可以增進我們對所處的太陽系的了解，所得到的結(jié)論還能進一步推廣到我們無法實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行資金能否支持其繼續(xù)進行日球?qū)禹數(shù)臄U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)想與計劃。這些學(xué)者中既有來自航天工業(yè)部門各個單位的工程師，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劃分為100天文單位的近期目標和1000天文單位的遠期目標，分別設(shè)想在2049年前后和本世紀末實現(xiàn)。在近期目標的探測中，他們提出了日球?qū)颖羌?、日球?qū)颖羌夥聪蚝腿涨驅(qū)訕O區(qū)這三個探測方向，而這三個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。當然，宏偉的目標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。在兩個旅行者號探測器發(fā)射時，我國才剛剛擁有了發(fā)射衛(wèi)星的技術(shù)，國家的技術(shù)實力和綜合國力還遠達不到支撐這種復(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。