“旅行者号”飞出太阳系了吗？

文/小超

▲ 太阳风与地球磁层的相互作用，地球磁层为地球提供了保护

2013年和2018年，分别有媒体发出“旅行者1号”和“旅行者2号”已飞出太阳系的报道。那么，它们是否真的飞出了太阳系？

要解答这个问题，需要我们首先了解“日球层”这个概念。

相信各位读者在童年时都曾经享受过吹气球所带来的快乐时光。当我们用力将空气吹入气球时，气球便在气球内外压强差的作用下向外膨胀，而当我们吹好气球、将口扎紧时，气球内外压强的平衡使得气球总能保持圆滚滚的形状。在太空之中，太阳也用等离子体吹起了这样一个“气球”，而星际物质的存在使得这个“气球”拥有了特别的大小与形状，空间物理学家们将这个气球称为“日球层”。作为迄今为止仅有的两个对日球层边界进行过实地探测的飞行器，旅行者1号和2号不断为科学家们带来前所未有的观测数据，改变着我们对于日球层的认识。

从太阳出发

▲日球层整体结构示意图

我们肉眼所能感受到的太阳的光芒大都来自于太阳的光球层，天文学家们一般将这里视为太阳的表面。而在太阳表面之上，还存在着丰富的现象。在那里，物质并不是以我们日常生活中所能接触到的固、液、气三态存在，而是以物质的第四态——等离子体态的形式存在。原本被约束在每个原子核周围的电子，在获取足够的能量后终于获得了自由，能在物质中自由地穿梭。于是，虽然从整体上看，这团物质并不带电，仍然呈现中性，但在物质内部，电子与离子的相互作用却产生了固、液、气三态中所不存在的物理现象。

例如，等离子体能够与磁场发生相互作用。在太阳日冕中，磁场所贮存的能量被源源不断地转化到等离子体中，将等离子体从数千度加热到数百万度的高温。在高温的作用下，等离子体不但向外膨胀，还在磁场冻结效应的作用下携带着太阳磁场一起向遥远的太空中奔去。由于这种现象与我们日常生活中时常能感受到的风有些类似，因此空间物理学家们给这些等离子体取了一个形象的名字，叫“太阳风”。

众所周知，地球存在着大致为南北走向的地磁场。除了能通过指南针为我们指示方向外，地磁场还能为我们提供阻挡太阳风侵袭的屏障。由于等离子体和磁场的相互作用，大部分太阳风等离子体在地球附近必须绕道而行。而当行星际磁场指向特定方向时，地磁场便会被打开，太阳风粒子在经历一系列加速过程后沿着地磁场到达南北两极，形成绚烂的极光。而像火星这样不具备较强内禀磁场的行星，太阳风则可以直接吹拂它的大气层。目前有观点认为，火星的大气层之所以比较稀薄，就是由于太阳风对大气层的破坏。

除了与地球等行星相遇时，会与行星发生相互作用外，在大部分空间中，太阳风都会无拘无束地以近乎不变的速度奔向远方，直到它们在日球层的边界与星际物质相遇。

与星际物质相遇

▲ 旅行者1号和2号从不同方向飞出了日球层，旅行者1号位于黄道面以北，旅行者2号位于黄道面以南

当某一个地方扬起一阵灰尘时，我们在一段距离之外就能察觉出灰尘的存在，因为灰尘使得它后面的物体在视觉上变得模糊。基于类似的观测原理，在人类能够发射航天器之前，科学家们就已经在恒星等天体的光谱信息中，找到了星际物质的蛛丝马迹，并大致确定了行星际物质的密度、磁场强度等物理性质。在美国物理学家尤金·帕克教授于上世纪五十年代最先提出太阳风理论时，星际物质的密度和压强观测证据是他否定静止日冕理论，并排除自己物理模型的几种不合理解的关键证据。

随着与太阳距离的增加，虽然太阳风的速度不会发生太大的变化，但太阳风的密度却会越来越低。在冥王星的轨道以外，他们的向前奔驰“冲劲”不再充足，不足以支撑他们克服在宇宙空间中广泛存在的星际物质的阻碍，难以再继续自由向前。然而，和开车的司机遇到红灯便踩下刹车、平稳减速停车的过程不同的是，以超音速奔驰的太阳风无法将前面所遇到的阻碍信息“传递”给随后涌来的太阳风，与恒星物质的相遇更像是一次大雾天气中的“车祸”，接踵而至的太阳风等离子体不断碰撞压缩前方已经减速的等离子体，形成了一道“终止激波”。在经过终止激波之后的过渡后，太阳风等离子体最终与星际物质交会。太阳风所能影响的空间范围，被空间物理学家们称为“日球层”，而太阳风与星际物质相会的地方，则被称为“日球层顶”。

通过简单计算，就能大致推算出日球层顶是位于冥王星轨道之外、距离太阳相当遥远的地方。而日球层的整体结构，目前主要通过数值模拟和遥感观测的方法获得。在使用数值模拟时，科学家们首先使用一套方程组来描述太阳风物理性质的变化。之后，先使用数学方法对方程进行“处理”，将其转化为计算机能够进行运算的形式，再编制代码，形成数值模拟程序。科学家们先将太阳风和星际物质的基本情况赋值到计算机的虚拟世界中，之后运行数值程序，计算机就能通过解算方程的方式让太阳风和星际物质在虚拟的世界中相互作用。当两者的作用逐渐达到平衡，模拟区域中的解不再发生明显的变化时，即可将计算结果的数值表达成容易看到的图像和图表。我们目前所能看到的日球层整体结构图，大都是根据数值模拟结果得到的。在这些图像中，日球层之所以不是一个圆球，而是呈现向一个方向拉伸的椭球装，是因为整个太阳系正在环绕银河系中心旋转，同时星际物质本身也带有一定的速度。太阳与日球层椭球结构距离它最近的那个位置的联系，指向太阳相对星际物质的运动方向。

▲ 旅行者2号穿越日球层顶时探测到的太阳风粒子通量和宇宙线通量所发生的变化

而太阳与星际物质相互作用的一些产物进入太阳系中后，也可以被探测器捕捉到，进而通过遥感观测的方式洞悉日球层的秘密。目前正在轨工作的美国宇航局“星际边界探测器”(IBEX)通过收集不同能级的高能中子来对日球层进行成像观测，这些高能中子产生于太阳风和星际物质在日球层边界上的相互作用。通过记录不同方向上射来的高能中子的通量差异，IBEX的数据能够使科学家们了解不同方向上太阳风与星际物质相互作用的强烈程度。

“旅行者号”传佳音

空间物理学是一门以卫星实测数据为基础建立的学科，虽然我们已经了解了日球层的大致形态，但没有卫星在终止激波、日球层顶等区域的实地探测，我们就很难对那里所发生的物理过程有确切的了解。在完成对大行星的探测任务后，“旅行者号”继续向着日球层的边界进发。

2004年11月，“旅行者1号”在距离太阳94AU（天文单位）的地方成功地穿越了日球层的终止激波。2007年8月，“旅行者2号”则在距离太阳84AU的地方完成了同样的活动。此前，科学家们一致认为一些在地球上探测到的、并非来自于太阳的高能粒子，是星际物质在终止激波中加速获得能量而形成的。然而，“旅行者1号”的实测数据中并没有发现科学家们所期望的加速现象，给了科学家们继续进行研究的启发。

在旅行者1号和2号上，均装配了用来测量太阳风粒子的等离子体谱仪（PLS），当这种谱仪测到的太阳风粒子通量密度明显降低时，旅行者号探测器便不再受到太阳风吹拂，基本可以证实它们已经穿过日球层顶，处在了星际空间中。

然而，“旅行者1号”的PLS早在1980年便已经罢工了。当“旅行者1号”在2012年进入星际空间时，科学家们颇费了一番周折，才在太阳的助攻下确认了“旅行者1号”的成功。2012年3月，太阳爆发了一次强烈的日冕物质抛射。13个月之后，这次爆发传播到了旅行者号飞船所在的位置，“旅行者1号”上还能工作的等离子体波动探测仪器记录下了这次爆发所带来的波动。通过波动数据，科学家们间接推测出了“旅行者1号”所在位置的电子密度，发现电子密度的值与星际物质的特征一致，与太阳风则相差几个量级。由此，科学家们才确定“旅行者1号”已经进入了星际空间。当旅行者号团队对之前的数据重新分析后，发现一些相对微弱的波动表明，“旅行者1号”早在2012年8月就已经在距离太阳121AU的地方完成了穿越日球层顶的壮举，进入星际空间。

▲ 旅行者2号飞行征途示意图

而“旅行者2号”的PLS至今仍在正常工作。2018年11月5日，在“旅行者2号”传回地太阳风数据中，出现了粒子密度的突然下降。也就是说，在180亿公里之外，“旅行者2号”感受到，身边吹拂的太阳风突然消失了，它进入了一片全新的世界中。科学家们由此确认，“旅行者2号”已经穿过日球层顶，进入星际空间中。除了太阳风粒子的密度数据外，“旅行者2号”所探测到的银河宇宙线通量增加也进一步证实了它已处于星际空间的事实。银河宇宙线是来自于太阳系以外的高能辐射。由于日球层的屏蔽作用，只有一部分银河宇宙线可以传播到日球层之内。同时，日球层内的宇宙线强度也受太阳活动调节。当太阳活动较强时，就能更多地将宇宙线屏蔽在日球层以外，使地球上接收到的宇宙线辐射通量减少。而在日球层之外，宇宙线的通量就会变得相对更强。

太阳系的边界到底在哪里？不同的人可能会给出不同的答案。目前主流的观点认为，太阳系的边界位于距离太阳约2光年（10万AU）的奥尔特云。虽然没有直接的探测证据，但间或造访太阳系内部的长周期彗星使科学家们推断，奥尔特云是这些彗星的发源地。由于奥尔特云依然受到太阳引力的作用，因此这里被一些学者当作太阳系引力和结构上的边缘。然而，也有的学者认为，从另一个角度讲，太阳的光和引力理论上可以延伸到无穷远，但太阳系显然不能包罗全部的宇宙，因此也有人认为日球层顶标志着太阳风影响的终结，跨入星际物质后就已经办妥了从太阳系的“出境”手续。因此，在本次对“旅行者2号”和之前对“旅行者1号”进入星际空间的报道中，有不少媒体使用了“飞出太阳系”的字眼。至于这个说法是否恰当，就见仁见智了。

和用了太久的手机电池就会供电不足一样，为旅行者号探测器供电的同位素热电池的输出功率正以每年4瓦的速度衰减。到2020年，飞船将不得不关闭所有的科学探测仪器，用仅有的供电维持飞船与地球的通信。在这之前，这两个制造发射于上世纪七十年代的老爷探测器将会不断把人类对太空进行科学探索的疆域向前推进，为我们带来关于星际物质的令人激动的探测数据。