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进入星际空间后,旅行者二号发现了奇怪的现象

佚名 科学 2020年12月03日

进入星际空间后,旅行者二号发现了奇怪的现象

作者:佰思科学 | 沈东旭 邱亚明




迄今为止,人类有两艘航天器探测了星际空间。2012年8月25日,NASA宣布,1977年9月5日发射的旅行者一号进入了星际空间。目前旅行者一号距离地球大约151AU(1AU即一个天文单位,是地球到太阳的平均距离,大约1亿5千万公里)。2018年11月5日,旅行者二号也进入了星际空间。在旅行者二号进入星际空间之后,发现了一个很奇怪的现象。


旅行者一号和二号的大致位置




在讲这个奇怪现象之前,我们先科普一下什么是星际空间。太阳在银河系里,沿着银河平面绕着银河系中心旋转。在旋转过程中,太阳还有上下起伏的运动。从太空中望去,看起来是一种螺旋形的运行轨迹。


太阳在银河系中的运行轨迹


太阳在发出光芒,给我们带来光明的同时,也在不停释放出等离子粒子,形成了所谓的太阳风。太阳风粒子由电子,质子(氢核),α粒子(氦核)等组成。


太阳发射出来的太阳风粒子


可以想象,在太阳距离太阳近的地方,太阳风粒子密度大,随着距离的增加密度会下降。到了一定距离之后,太空中的粒子,从银河系来的宇宙射线会上升,而从太阳来的粒子会大幅下降。于是人们将太阳风占主导的区域定义为太阳圈,heliosphere。太阳圈阻挡了一部分宇宙射线对太阳系内部区域的冲击,对像地球这样的大行星有保护性作用。


假想的太阳圈形状


有人认为,太阳圈就像彗星一样,拖着长长的尾巴。不过,太阳圈的真实形状很可能不是那么完美,或许还与星际物质的分布有关系。最近NASA的一个模型认为,太阳圈长得像法式牛角包(croissant)。


NASA新的太阳圈形状模型


太阳圈的边缘被称作太阳层顶(heliopause)。2018年11月5日,旅行者二号上面的探测器发现,来自于银河系的宇宙射线粒子开始大幅增加,而太阳风粒子断崖式减少,这说明旅行者二号开始进入星际空间。下图是旅行者二号上面的仪器测得的太阳系和银河系粒子数目。


旅行者二号探测到的粒子数量:上,来自于银河系的宇宙射线;下,太阳风粒子数


这里需要注意,进入星际空间和离开太阳系可不是一回事。太阳系的范围由太阳的引力所决定--太阳系内的物质都在太阳引力的作用下,跟随着太阳在银河系中运动。目前两个旅行者号距离地球大约100多AU。太阳系边缘区域被称作奥尔特云,Oort Cloud,距离太阳最远估计有10万AU,大约相当于2光年。按照现在的速度,旅行者一号要穿越奥尔特云,脱离太阳的引力范围,还要3万年。


太阳系的范围


进入星际空间后,旅行者一号和旅行者二号都发现了一个很奇怪的现象。之前科学家预测,星际空间中等离子体的密度应该很低,如果仅考虑电子,平均每立方厘米应该只有0.002个电子。然而,旅行者一号2013年测得的密度是0.055,旅行者二号2019年测量结果是0.039。


旅行者一号和二号的飞行方向


2020年10月份的The Astrophysical Journal Letters发表了一篇文章,指出旅行者二号发现,在它飞出太阳圈之后,星际空间的密度不仅远比预计为高,而且随着距离的增加,密度还在变高。这种现象与旅行者一号的发现相吻合。具体原因尚未有明确的答案。


太阳圈、太阳层顶和旅行者一号、二号的位置


归根结底,我们身处于太阳圈之内,但对太阳圈的了解却十分稀少。人类通过两个旅行者,只是刚刚了解了太阳圈之外的星际空间的模样。到目前为止,人类发射过的航天器中,还有先锋10号、先锋11号,以及执行冥王星飞掠任务的新视野号将飞出太阳系。然而先锋10号与11号因为能量耗尽,分别于2003和1995年失去了联系。


除了新视野号其他四个能飞出太阳系星际飞船


新视野号预计飞到100AU的时间为2038年,从而进入星际空间。然而,新视野号的电池预计在2030年代中后期耗尽,能否对星际空间进行探测尚未可知。


新视野号的轨迹


从2021年开始,受限于越来越低的电力供给,旅行者一号将逐渐关闭科学仪器。预计在2025到2030年间,所有的仪器都会被关闭。而旅行者二号,预计也在2025年之后关闭全部仪器。到那时,人类对星际空间的实地测量将告一段落了。


开发中的SLS运载火箭


近年来,NASA正在开发巨大的SLS运载火箭,能将超过100吨的货物送入地球低轨道,预计在2021年试射。此外,Space X正在开发中的星舰(Starship),运载能力与SLS相似,也将于2021年后试射。


测试中的SpaceX的Starship


基于这些大型火箭,有人建议开发新的星际探测器,经过一次行星引力加速之后,再启动火箭,进一步提升探测器的速度。探测器将只用不超过15年就到达距离地球150AU的地方,大致是旅行者号现在的距离。最终在其50年寿命终点时,到达1000AU的位置。假如2035年探测器能发射的话,在2050年前人类将再次获得星际空间的测量数据。


提议中的星际探测器路线


显然,人类已经逐渐不满足于对太阳系内部区域的探测,正将目光投向星际空间。随着技术的不断发展,人类必定会走向更遥远的太空深处。


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