飞出太阳系的飞行器

伤我心太深

实际上，地球上还没有飞行器飞出太阳系，虽然说旅行者1号已经到了太阳系边缘，但是距离离开太阳系真的还需要很久。
这里有个很有意思的理论：假如20世纪70年代发射的飞行器在21世纪50年代刚刚飞出太阳系，但是2040年的时候，人类的科技水平高速发展，那个时候人类发射的探测器在太空中飞行速度是旅行者1号的N倍，那么，是不是之后发射的探测器都可以追上之前的旅行者1号？

飞出太阳系

经过9年的飞行，美国“新地平线”号探测器近日拉开了“约会”冥王星的序幕。这场“约会”将持续6个月左右，此后，“新地平线”号将告别冥王星，奔赴太阳系边缘神秘的柯伊伯带，并一去不再复返。探测浩瀚宇宙的奥秘一直是人类的梦想。迄今为止，除“新地平线”号外，人类还发射了另外两对旨在探索宇宙深空的探测器——“先驱者”10号和11号以及“旅行者”1号和2号。它们正在飞向遥远的星际空间，飞向太阳系的边缘。

1.“先驱者”10号探测器



发射时间：1972年3月2日
“先驱者”10号是人类发射的第一个深空探测器，标志着人类探索的触角开始伸向宇宙深处。自1972年3月2日在美国发射升空，“先驱者”10号以每小时4.8万千米的速度飞行，用了不到1天的时间便接近月球，用了11周接近火星，用了不到2年的时间接近木星。它是第一个成功穿越火星和木星之间的小行星带的探测器；它是第一个近距离观测木星的探测器，并于1973年12月3日发回了第一组木星的近距离图像；它于1983年6月13日飞出了海王星的轨道；它发回大量太阳风和宇宙辐射测量数据。美国宇航局称，最后一次收到“先驱者”10号探测器微弱信号的时间是在2003年1月22日，可探测到它离地球最远距离是122亿千米。之后它按惯性飞往毕宿五恒星（金牛座的主星），抵达那里将是200万年以后的事了。“先驱者”10号探测器携带了一块标明太阳与地球在银河系位置以及地球男女图像的镀金铝板。如果存在着外星人，他们能收到我们的问候吗？

2.“先驱者”11号探测器



发射时间：1973年4月6日
“先驱者”11号是继“先驱者”10号之后，第二个用来研究木星和太阳系外空间的探测器，同时还是第一个造访土星及其光环的探测器。“先驱者”11号于1974年12月4日接近木星，随后借助木星的强大引力改变轨迹，飞向土星。1979年9月1日，“先驱者”11号从距土星3400千米的地方掠过，第一次拍摄到了土星的照片。它探测了土星的轨道和总质量，测量了土星大气成分、温度、磁场，发现了两个新光环。“先驱者”11号探测器于1990年2月越过冥王星的轨道，在1995年9月因为电池耗尽而与人类失去联系。据科学家推算，它现在正向天鹰座前进，将在400万年后飞抵天鹰座的一颗恒星。“先驱者”11号同样携带一块存有人类信息的镀金铝板。


3.“旅行者”1号探测器



发射时间：1977年9月5日
“旅行者”1号探测器是迄今飞离地球最远的人造飞行器。它携带的仪器和能源设备比“先驱者”的更先进，在探测木星、土星、天王星和海王星过程中有大量惊人发现，并正在向外层空间挺进。2013年9月13日，美国宇航局正式宣布，“旅行者”1号已经进入星际空间。但是否能得出“旅行者”1号已飞出太阳系的结论呢？尚且不能，因为这涉及到如何定义太阳系的边界。由于星际空间并不是真空，而是充满着星际介质，所以太阳发出的高能粒子，也就是太阳风不能无阻碍地向外“吹”，总要有一个界限。现在“旅行者”1号已经飞出了这个界限——日球层，进入到星际介质中。按照通常的说法，如果一个天体仍然受到太阳引力的主导，围绕着太阳旋转，那么这个天体就属于太阳系天体。在太阳系这个“地盘”上，不只有八大行星，还有数不尽的其他天体，比如矮行星、小行星和彗星之类。如此看来，太阳系其实要广阔得多，至少太阳周围1光年以内都可以作为太阳系的疆域。所以，“旅行者”1号要想飞出太阳系，还要飞上数万年才行。

4.“旅行者”2号探测器



发射时间：1977年8月20日
“旅行者”2号探测器与“旅行者”1号设计基本相同，所不同的是，“旅行者”2号沿着一个较慢的飞行轨迹，使它能够保持在黄道（即太阳系众行星的轨道水平面）之中，藉此在1981年透过土星的引力加速飞往天王星和海王星。在探访天王星时，它取得了许多前所未有的发现，如10颗新卫星和更多天王星圆环。“旅行者”1号和2号探测器同样携带着“地球名片”，但已不是镀金铝板，而是一张被称为“地球之声”的铜制镀金磁盘。携有的信息包括用55种人类语言录制的问候语和各类音乐，多种图片和影像。人们期望它有朝一日会被宇宙中的外星智慧生命截获。

5.“新地平线”号探测器




发射时间：2006年1月19日
“新地平线”号是人类迄今发射的初始速度最快的飞行器，主要目的是对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体进行考察。柯伊伯带位于太阳系外缘，这里可能隐藏着数以千计的冰冻岩石小行星，它们被认为可能由太阳系形成早期的剩余物质组成。“新地平线”号将于2015年7月14日与冥王星近距离会面——从其上方约1万千米处飞过，它所拍摄的冥王星照片质量将会超过“哈勃”太空望远镜。“新地平线”号未来也将向更远的深空飞去。


飞出太阳系有多难？

经过36年的漫长旅行，旅行者1号目前已冲出太阳风包裹的日球层，进入星际空间。

朝着太阳系边缘飞行了36年后，美国国家航空航天局（NASA）的旅行者1号探测器已经到达寒冷黑暗的星际空间，正身处一个从未被探索过的地方。

这枚距离我们最远和飞行速度最快的人造天体，究竟“远行”到了哪里？从《纽约时报》、《科学美国人》，到英国《每日电讯》，各大媒体争相宣布：“旅行者1号正式离开了太阳系！”“再见太阳系，你好外太空。”
等等，旅行者1号的确已经走远，但是否真正离开严格意义上的太阳系疆域？

进入星际空间，但未离开太阳系


来听听负责旅行者项目的科学家们是怎样说的。
他们发表在《科学》杂志上的论文指出：这艘探测器确实已经离开了日球层（heliosphere）的怀抱，驶入了星际空间（interstellar space）。所谓日球层，泛指太阳风和同样源于太阳的行星际磁场所占据的整个空间体系，也是太阳风粒子所到达的全部区域。打个直观的比喻，这片区域像一个由太阳风包裹成的巨大“气泡”。气泡外面便是浩瀚的星际空间。
科学家可以肯定的一点事：旅行者1号恰好刚刚穿透了日球层，不过，冲出了这个气泡就等于离开太阳系吗？这就需要明确“太阳系”的定义。
到目前为止，天文学界对太阳系边界仍存在多种理解。有一种观点认为，太阳系应以太阳风粒子所能波及到的范围为准。也就是说，日球层的最外层、日球层顶（heliopause）即太阳系的边界。


从这个定义看，旅行者1号的确是跨出了太阳系的“门槛”。从“门槛”到太阳的距离约为120个天文单位（地球到太阳的距离被称为1个天文单位，约为1.496亿千米），这也几乎等同于旅行者1号到目前为止的“航程”。
不过，天文学界另一种更广为接受的定义则是：太阳系的边界应以太阳万有引力所能控制的范围为准。如一个天体受到太阳引力主导，围绕太阳旋转，就应算作是太阳系天体。以这样的标准来看，太阳系的真正边界将远远超出日球层的范围。
除了人们熟知的8大行星，围绕太阳运行的还有无数不清的大小天体，如矮行星、小行星和彗星。彗星围绕太阳旋转的轨道多是椭圆，有的最远距离太阳可达近1000个天文单位。那么，这些天体运动的范围都应该仍然算作是太阳系的地盘。
而在距离太阳更远的5万到10万天文单位的地方，可能存在一个包围着太阳系的球体云团奥尔特云，估计其中的彗星超过1千亿颗。因此如果以此作为太阳系最外层的边界，那么以太阳为中心，1光年（约6.3万天文单位）为半径的区域都可以算作是太阳系的疆域。
因此有天文学家更希望严谨地说明，冲出了日球层顶的旅行者1号的确进入了星际空间，但还未离开广义范畴的太阳系。

已足够值得人们自豪

当然，抛开科学界对于太阳系边界的争议，单凭旅行者1号冲出日球层这一点，就已足够值得人们自豪了。
事实上，旅行者1号不只是“到达”了日球层，更证明了其存在。多年以来，科学家对于日球层的了解和观测到的数据十分有限，对其具体的结构和状态变化都不甚明了。而旅行者1号和2号的历险，则提供了宝贵的“一手”信息。

旅行者1号告别了围绕太阳的大行星后，开始朝着更偏远的疆界航行，它先是穿过了终端激波，这是日球层的最内层：当太阳风由于接触到星际介质而开始减速的区域，太阳风粒子的运行速度在此首次降至亚音速，并由于撞击摩擦而导致升温。
穿过终端激波（termination shock）后，旅行者1号波进入了日鞘（heliosheath，也被称为太阳风鞘）。在此太阳风一旦低至亚音速，会受到周围星际介质的流体影响，压力导致太阳风在太阳后方形成像彗星的尾巴。

从去年8月开始，旅行者1号检测到的太阳风粒子密度骤然下降，与此同时，等离子体密度突然上升了4倍。
而到了今年6月份，旅行者1号上的太阳风探测器报告太阳风的速度值降到了零。科学家们于是对仪器进行了检查，以便确定它没有出现故障。经过对这些数据反复测算分析后，科学家最终得出的结论是，在2012年8月25日，旅行者1号穿越了日球层顶，告别日球层，进入星际空间。
正如科学家预测的，这意味太阳的影响力到此为止，太阳风“吹”到这里已是强弩之末，取而代之的是星际空间的低温粒子。

再飞1.8万年才能离开广义太阳系


目前，科学家正在等待探测器传回有关太阳系外围弓形激波（bow shock）的信息。这是指太阳系在星际空间中移动形成一个由气体、尘埃构成的弧形区，就像在飞机机翼前气流堆积形成的弓形结构。
至此，旅行者1号36年的漫长旅途让人类第一次“到达”120个天文单位外的遥远空间，证实了太阳风在此“吹”到了尽头，也让人类意识到自己所处的太阳系不过是宇宙中的沧海一粟。
当到了太阳风“刮”不到的地方，旅行者1号也因为距离太阳太远而无法利用太阳能。它以低于300瓦特的功率运转，只够为一盏明亮的灯泡供电。探测器上携带两枚核电池，能够保证它继续飞行至2025年。
如果以目前旅行者1号每年飞行3.5个天文单位来计算的话，要想飞到距离太阳1光年的太阳系边界，至少还要再飞1.8万年才行。

有去无还，茫茫宇宙觅“知音”


“旅行者1号已经大胆闯入了先前没有任何探测器到过的地方，取得了科学编年史上最重要的一项技术成就。”NASA科学任务理事会副主席约翰·格伦斯菲尔德说：“随着它驶入星际空间，人类的科学梦想和科学事业又掀开了新一页篇章。”

更令人称奇的是，原本科学家只希望旅行者1号能探索木星与土星，没人想到有天它会进入到星际空间。NASA本打算让探测器进行为期4年的宇宙航行，而由于旅行者1号采用了优良的控制系统并配有后备运行系统，采用核动力技术以放射性元素钚作燃料，装备了防辐射光学玻璃及电子元件等措施，探测器完成原定任务后还越飞越远，不断向太空深处进发。
目前旅行者1号正沿双曲线轨道运行，并已经达到了第三宇宙速度。这意味着其轨道再也不能引导太空船飞返太阳系，它将继续在无垠的宇宙中飘荡。

而即便失去所有的能量，“旅行者1号”依然是人类文明的使者，它携带了一张名为“地球之音”的镀金铜质光盘。被密封在一个铝盒内，经过特殊处理后，它可以保存10亿年。
在这张镀金的唱片上，录制着人类对外星球生命的问候。光盘的一面录制有115张照片、55种语言的问候语、还有一段90分钟的声乐集锦，其中包括中国的十大古曲之一《高山流水》。如同一位带着代表着地球文明明信片的信使，旅行者1号将继续在茫茫宇宙中寻找人类的“知音”。