旅行者号即将冲出太阳系将解三大谜团
旅行者号正在进入一个全新的领域―――太阳风鞘及星际空间边界。最近，《自然》杂志上又连登了6篇相关论文。密集探讨两颗旅行者探测器发回的信息。科学家们希望，当旅行者号最终冲出太阳系，站在“山外”重新审视一切，就能彻底弄清我们所在的这个神秘空间的“庐山真面目”。
谜题1 太阳系究竟有多大？
●现在我们知道，太阳系的边界至少在距我们140亿千米的位置以外。
1977年9月，一颗重722千克的宇宙飞船“旅行者”1 号(Voyager1)带着神圣的使命在美国升空。这个使命就是触摸太阳系的边界。由于旅行者1号在发射前出现故障，它的孪生兄弟，旅行者2号先它几天，于1977年8月20日踏上了征途。
2004年末，“旅行者1号”终于完成了一项巨大的跨越。经过漫长的旅行，它飞出了太阳系的激波边界。这是一片只在假设中出现，却从未被观测过的领域。
事实上，早有科学家发现了旅行者“迈出这一步”的苗头。2003年11月，美国宇航局(NASA)喷气推进实验室的科学家曾发现旅行者1号观测到一些前所未有的迹象。科学家因此判断它已进入激波边界。不过，由于并没有人知道激波边界的确切标志，这一观点引起了争议。部分科学家认为它只是接近了这一区域而已。
太阳系边缘被认为是太阳风与银河系其他恒星之间的稀薄气体碰撞的地方。太阳风其实是具有带电粒子的稀薄风，从太阳向各个方向以每小时160万-320万千米的速度被吹出去。位于日光层和星际空间的这一区域被称为太阳风鞘(heliosheath)。“太阳风鞘就是太阳风的最末端。”北京天文馆副研究员李良指出。它位于以超音速冲刷着所有系内行星的太阳风所能到达的区域之外，在这里太阳风已经衰减为亚音速。天文学家认为，太阳风鞘以及它的内部边界都能够保护太阳系免受银河系宇宙射线的侵袭，同时自己形成能够到达地球的宇宙线。而这一区域间发出的一种突发的冲击波，叫激波边界(termination shock)。激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带。在这个地带，日光层让位于星际空间。太阳风猛踩了一脚刹车，从每小时100万―240万千米的高速状态急剧减慢。与此同时，其离子密度更大、温度也升高了。科学家认为，由于恒星间气体压力变化，整个区域经常收缩或膨胀，由此很难清晰确定边界。
2004年12月，“旅行者”1号飞船在距离地球94个天文单位(即太阳和地球之间的平均距离)，也就是离我们140亿千米处持续观测到由太阳风的带电粒子牵引的微弱磁场的强度增强了3倍。科学家由此判断，旅行者1号飞出了激波边界。这个判断是分析两个特征而得到的：第一，飞船探测到周围磁场强度急剧增加，到现在磁场都维持在高强度上，这说明太阳风粒子的减速过程已经完成；第二，飞船探测到周围有等离子体波浪，这是激波边界内外太阳风速不同、使带电粒子来回震荡而造成的。
这样的判断总算是让科学研究人员知道了太阳风鞘的位置―――事实上，长期以来，研究人员更热衷于猜测太阳风鞘到底在哪里，而不是它到底有什么作用。
2005年5月，NASA宣布，旅行者1号已经飞抵了太阳系的最外端地域―――太阳风鞘，旅行者号也成了第一个进入太阳系外空间的人造航天器。“旅行者号是太空探测器中的传奇者，它带我们进入到此前从未有的新天地。”NASA科学项目理事会(Science Mission Directorate)副行政官斯特(Alan Stern)指出。
谜题2 太阳系是球形的吗？
●现在我们知道，太阳系不是球形，而是一个不对称的、凹陷的结构。
旅行者2号也在2007年8月30日至9月1日到达了激波边界。尽管旅行者2号是第二个到达激波边界的航天器，但研究人员却对其赋予了厚望。
旅行者2号本身携带了仪器，能够测量出太阳风的速度、密度和问题。同时，旅行者2号在数日内5次通过这一地带。研究人员通过这几次数据的研究，发现了太阳系的另一秘密。
太阳系的主要行星大体处在同一平面上，所以，也许很多人认为太阳系是扁平的。不过，太阳系的形状和太阳有关，因此它更可能是个不太严格的球形。旅行者2号发回的数据表明，太阳系不是球形，而是一个不对称的、凹陷的结构，或许有点像鸡蛋。
旅行者2号穿越激波边界的位置，距离旅行者1号飞船的穿越位置大约160亿千米。理查德逊(John Richardson)指出，旅行者2号传回来的数据表明，其所到达的激波边界比旅行者1号更接近于太阳，两者的差距约为10个天文单位。
研究人员计算出，穿越激波边界时，旅行者1号与2号之间的差异。他们据此推测认为，太阳系是不对称的，可能是东西或者南北的不对称。
对此，北京天文馆馆长朱进指出，关于太阳系的不对称此前也有过猜测，而旅行者号则让猜测得到证实，“细化了我们对太阳系的认识，但至于有什么影响则不好说。”
谜题3 太阳风鞘究竟是什么样？
●现在我们知道，激波像波浪一样在不断来回地拍打着激波边界。
旅行者1号飞船只穿越过激波边界一次，而旅行者2号飞船穿越激波边界多次。研究人员指出，这是因为激波像波浪一样在不断来回地拍打这一边界。太阳风鞘这片人类此前未可及之地，正在逐步地一一解密。
激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带。在这里，太阳风速度急剧下降，离子密度变大、温度也升高了，形成一个浓密、炽热的区域。然而，旅行者2号飞船发现激波边界的温度比科学家预期的要低很多。
研究人员对此的解释是，能量传输到了宇宙射线粒子中，使激波加快速度。这就像宇宙乒乓球运动似的，其中的一些离子被屏障反射过来，加入激波中。“这些离子从太阳风中获得了巨大的能量，之后飞奔到了太空之外。”加里弗尼亚技术学院的斯通(Edward Stone)指出。
研究人员还发现，异常宇宙线(ACRs)在太阳风鞘的不同区域也不同。研究人员曾预计，在穿越激波边界时，异常宇宙线强度会增加。但旅行者1号传回的数据表明，这一预计出错了。
目前，旅行者1号和2号都在太阳风鞘区域内，研究人员希望在进一步数据的获得下，研究出异常宇宙射线和宇宙射线的强度变化。“现在有说法认为，旅行者号已经进入太阳风的最末端，进入了星际空间。”李良指出，随着旅行者号不断向太阳系外迈进，更多的关于太阳风鞘及星际空间的细节会被揭露。
――新知补丁
如何追踪旅行者飞行器？
旅行者号飞行器早就消失在人类视野中，当然所有的宇宙探测器都如此。不过，由于旅行者号已经飞抵太阳风鞘，距离地球已近100个天文单位。如此遥远，飞船信号抵达地球时功率已非常小。有资料表明，旅行者1号发回来的信号大约是一枚普通电子表电池功率的200亿分之一。
功率如此小的信号，地面如何追踪？李良指出，接收这类信号的必须是全自动跟踪。目前直径305米射电望远镜阿雷西沃望远镜是最大的、最敏感的，“然而那是固定的”。
事实上，目前追踪旅行者号信号的是个大的地面观测网络。“首先你必须要先定好大概的天体坐标，然后建立庞大的地面观测网络，进行全自动跟踪。”李良指出。
进而，当地球上的天线能够接收到飞船发回到地球的信号后，还必须通过一定的技术处理方法检测出这些信号，类似放大这些信号。
“太阳系外探测器”陆续飞离，逐一破解系外世界之谜
作为人类已经发射的最重要的两枚系外探测器，旅行者号探测器已经触及了太阳系的边界，一个原本只存在于天文学家理论推想之中，却从未被真正发现过的地区。科学家预计，它们很快就将离开太阳系，继续改写人类行为能达到最远位置的纪录。
然而旅行者号并非人类所进行的太阳系外探索工作的全部。在它们之前，先锋10号和先锋11号已经踏上了没有终点的征途。与此同时，新一代系外探测器也正在紧锣密鼓地研制之中。除了它们，科学家还利用各种形式的望远镜，窥探着宇宙的秘密。
陆续触摸太阳系边界
中国空间技术设计研究院研究员庞之浩将旅行者1号、2号统称为“走马观花似的航天器”，与之同类群的还有先锋10号、11号。这四个探测器都负载着冲出太阳系的任务。
而之所以将这类航天器命名为“走马观花似的航天器”，是因为它们都不是专用探测器。“旅行者2号先后探测了土星、木星、冥王星后，才去探测太阳系外。”庞之浩指出，旅行者号在走马观花后，又将探测太阳系外世界。
两枚旅行者号飞船形制大体相同，重约825千克，是先驱者号的3倍多。它配有直径3.66米的地球抛物线天线，还携带着用于探测宇宙线、行星磁场、行星大气成分等11种探测器。此外，旅行者还装备了放射性同位素热电机组，这是供其在远离太阳的黑暗、寒冷空间中所用的。
这两枚宇宙探测器要做的事实在太多，除了沿途不断地给太阳系拍照外，它们还被寄予厚望，希望能在飞行过程中碰到外星智慧生命。事实上，在发射旅行者号之前，NASA还曾发射过先锋者10号和11号两枚宇宙探测器。它们的最终目标也是飞出太阳系。为此，这四种探测器都携带着“地球名片”，以期在遭遇外星智慧生命之后，能作一引见。
和“先驱者”系列不同，旅行者系列携带的不再是简单的“地球名片”，而是一整套记录地球上各种典型代表意义的声音和图片，也就是被称为“地球之音的”唱片。人们期望，有朝一日，它们会被宇宙中的外星智慧生命截获。那时，外星的朋友们就有可能通过这些了解到地球人的存在。
由于飞行轨道不同，1979年3月旅行者2号率先到达木星上空，继而于1980年11月飞跃土星。旅行者1号则在1979年7月飞跃木星，1981年飞跃土星。
31年时间里，这对“孪生兄弟”立下了赫赫功勋。正是它们对木星和土星的考察，才使得人们对这两个大行星的认识有了很大提高。它们还发回了数以万计的清晰照片。
不过，在它们先后访问土星后，两兄弟就分道扬镳了。其中旅行者1号向上飞出了太阳系诸行星的轨道平面，目前它已经成为离地球最远的人造天体。旅行者2号则在越过土星后，又继续访问了天王星和海王星。最后，它也飞出太阳系诸行星的轨道平面。不过，由于飞行轨道的不同，它多走了许多弯路。
当然，两枚旅行者号的终极使命就是冲出太阳边界，达到更远的距离。而发射于1972年的“先锋10号”，如今也已飞出太阳系，但在2003年，科学家挥手与之告别时，NASA喷气推进实验室发现，它竟已偏离预定航向40万千米。而发射于次年的“先锋11号”也是“谬以千里”。科学家们相信，如果这个偏离问题不是出在飞船本身或跟踪站身上，而且此后别的探测器依然故我，继续偏离，那我们就要下定决心，大力批判广义相对论的思想根源了。有趣的是，喷气推进实验室的约翰・安德森之所以在上世纪70年代发现“先锋”探测器的异常，也是为了寻找太阳系外层的未知行星。他们发现了一个比地球引力弱100亿倍的力。奇怪的是，这个力指向太阳系内层而不是外层，似乎是太阳的恶作剧。
或许能够拯救地球
著名的“先锋号金属板”，上面刻有一个氢分子、人类的外形以及我们在太阳系中的位置。科学家们希望这能向外星智慧生物描述我们的存在。
其实，理由无怪乎两条：为了地球生命的未来；为了与外星生命相联系。
整个太阳系正在银河系内运动。过去300万年，太阳已经在银河系内走过一个被称为“泡泡”的空间。
太阳系能在扑朔迷离中安然行走，靠的是称为“太阳风鞘”的巨大磁场削弱宇宙射线。宇宙射线与气候有关。进化生物学也发现，到达地球的宇宙射线强度与基因突变率等生命演化有密切关系。“研究人员正希望通过继续观测旅行者号所传回的数据，获悉异常宇宙射线和宇宙射线的强度变化。
此前，对格陵兰岛和南极冰核的研究发现，14万年前宇宙射线强度比现在高大约20%-40%。2006年，美国科罗拉多大学的帕夫洛夫计算出：当太阳系穿过极密的星际云时，到达地球的宇宙射线剧增，能将“太阳风鞘”压缩到几乎只有地球绕日轨道的大小。这样一来，全球臭氧层将顿失四成。
当然，第二个理由也很重要。宇宙形成之初是什么？宇宙中有生命的存在？人类对太空探索的视界能达到多远？这些都是抛给我们的问题。为了问题的解答，天文研究人员在射电望远镜、光学望远镜和空间探测器上三管齐下。
SKA全称为“1平方千米阵射电望远镜”，试图建造出世界上最强大的射电望远镜阵列。它将由上百架绵延3000千米的射电望远镜组成，能使我们探索太空的视界扩大无数倍。
在光学望远镜方面，则有LAMOST，即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜。该项目预计在今年8月竣工，是目前国际上最具威力的光谱巡天望远镜。
当然，空间探测器也丝毫不敢松懈自己。先锋10号、11号、旅行者号就是对此的一个尝试。
新系外探测器，准备！
“太阳风鞘”之外就是星际空间。旅行者1号将从“太阳风鞘”最薄的地方飞出去。这样才算真正飞出了太阳系。目前，NASA预计，旅行者这两艘飞船将至少运行到2020年。届时，旅行者1号飞船将能够悄悄地飞临147个天文单位外的宇宙空间。
哪里才是太阳系的尽头？研究人员推测，125个天文单位是最佳估算距离。旅行者1号飞船大约在2014年到达那里。
旅行者号毕竟是以太阳系内探测为主，它们无法近距离经过任何恒星―――去最近的达半人马座α星也需要几万年。
不过，新的太阳系外探测器该上路了。NASA官方网站的消息说，星际边界探测器(IBEX)将于今年夏天发射，这一探测器的使命就是为了探索激波边界和太阳风鞘。
美国圣安东尼奥西南研究学院麦克康马斯是该项目的领导研究人员。他指出，IBEX 将带有高能中性原子分析器(ENAs)，可以捕捉太阳风鞘与星际空间的各种变化。
而美国约翰・霍普金斯大学的拉尔夫・麦克纳特正与喷气推进实验室一起计划一艘“创新星际探测器”(IIE)。它有望于2014年发射。它能在25年内飞到200个天文单位之处。估计太阳作用的边界在125个天文单位之外。2040年，它将一窥星际空间。
新知专题采写/本报记者 李健亚
本专题感谢：
庞之浩(中国空间技术设计研究院研究员)
朱进(北京天文馆研究员)
李良(北京天文馆副研究员)
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