藝術(shù)家描繪的旅行者1號。來源：維基百科-旅行者1號

旅行者號堪稱人類深空探測史中的傳奇。盡管發(fā)射于近半個(gè)世紀(jì)前，時(shí)至今日依然保持著行星探測中的諸多紀(jì)錄，并且仍在不停地從遙遠(yuǎn)的恒星際空間傳回珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。旅行者號除了在科學(xué)上根本地改變了人類對太陽系巨行星系統(tǒng)及太陽系邊際的認(rèn)識，還給我們帶來了深刻的人文啟示。本期星際征途，由北京大學(xué)的何建森教授等帶領(lǐng)我們走近旅行者號任務(wù)。何建森教授的研究聚焦日球?qū)永碚摵吞栂颠呺H探測。陳天航和王維寧是北京大學(xué)博士生，從事日球?qū)拥确较虻难芯俊?/span>

專欄主持人：李薦揚(yáng)

旅行者號前傳：行星大旅行計(jì)劃

20世紀(jì)60年代，美國加州理工學(xué)院博士生加里·弗蘭德羅（Gary Flandro）的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為人類深空探測掀開了新篇章。他計(jì)算出，70年代末，太陽系外行星（木星、土星、天王星和海王星）將罕見地近似排列成一條線，這種每175年出現(xiàn)一次的幾何布局允許探測器通過“引力彈弓”效應(yīng)連續(xù)飛越四大行星，耗時(shí)僅12年而非常規(guī)的30年。這一設(shè)想催生了美國航天局（NASA）的“行星大旅行計(jì)劃”（Grand Tour），目標(biāo)是發(fā)射4個(gè)探測器，分兩組完成木星一士星一冥王星和木星一天王星一海王星的探測，總預(yù)算高達(dá)10億美元。

然而，這個(gè)計(jì)劃因技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)過高和預(yù)算競爭（如航天飛機(jī)項(xiàng)目）于1971年被取消。噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而提出簡化版的“水手木星-土星計(jì)劃”（Mariner Jupiter-Saturn），專注于探測木星和土星，預(yù)算壓縮至3.6億美元。探測器設(shè)計(jì)研制融合了多項(xiàng)創(chuàng)新：探測器平臺采用三軸穩(wěn)定技術(shù)以提高成像精度，配備STAR自動化計(jì)算機(jī)(具備故障自修復(fù)功能)，并搭載11臺科學(xué)儀器。1977年，兩個(gè)相同配置的“雙子”探測器因技術(shù)迭代遠(yuǎn)超傳統(tǒng)“水手號”框架，被正式命名為旅行者1號和2號（Voyager 1&2）。

茫茫太空的遠(yuǎn)征者：旅行者號

旅行者號探測器注定名垂青史，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)了飛離太陽系、前往恒星際空間、成為流浪人造天體的壯舉。這兩個(gè)探測器的成功，離不開“人和”與“天時(shí)”。

“人和”，指的是它們的“前輩”水手10號在1973年發(fā)射升空之后，實(shí)現(xiàn)了對引力彈弓效應(yīng)的成功應(yīng)用。引力彈弓效應(yīng)，又稱重力助推，就是當(dāng)質(zhì)量非常小的航天器飛越大質(zhì)量的天體時(shí)，會由于天體的引力作用發(fā)生軌道改變，并實(shí)現(xiàn)加速的現(xiàn)象。利用引力彈弓效應(yīng)，可以讓航天器實(shí)現(xiàn)定向軌道變化并且獲得更快的速度，從而大大節(jié)省燃料，讓航天器擁有更為充足的動力完成預(yù)定計(jì)劃。以旅行者1號借用木星加速為例，利用引力彈弓效應(yīng)能讓探測器獲得約10千米/秒的速度增量，如果以高比沖的化學(xué)燃料推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)同等加速效果，預(yù)計(jì)需要消耗數(shù)噸燃料（而旅行者號探測器在發(fā)射時(shí)的質(zhì)量僅為815千克）。所以，僅憑探測器攜帶的燃料完成軌道推進(jìn)，是不現(xiàn)實(shí)的。

“天時(shí)”，則指的是在20世紀(jì)70年代，木星、土星、天王星和海王星經(jīng)過了一次罕見的規(guī)則排列，它們在70年代末期近似地排列在了同一條直線上，有利于航天器飛行順訪多顆行星，實(shí)現(xiàn)多次引力彈弓加速。

旅行者號“雙子”探測器上搭載的科學(xué)探測載荷功能豐富、類別多樣，堪稱擁有“十八般武藝”?？茖W(xué)探測載荷包括:低能帶電粒子探測器、極紫外光譜儀、窄角和廣角成像系統(tǒng)、高增益天線、等離子體探測器與宇宙線探測器、磁強(qiáng)計(jì)、行星射電天文與等離子體波天線、光偏振計(jì)、紅外干涉光譜儀。這些載荷可以對行星表面進(jìn)行高精度成像分析，也能充分地探測行星附近、行星際空間的等離子體與磁場環(huán)境，同時(shí)還兼顧了對宇宙射線輻射的測量。

旅行者號探測器上所搭載的載荷及其安裝位置

旅行者號任務(wù)初期的研究以及資金投入均集中在探測器對木星和土星的飛越上，兩個(gè)探測器的設(shè)計(jì)壽命也不超過10年。然而，實(shí)際結(jié)果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。

旅行者1號和2號分別發(fā)射于1977年9月5日和8月20日，前者所處的軌道會讓它更快地遠(yuǎn)離太陽、先行一步進(jìn)行科學(xué)探測任務(wù)，而后者所處的軌道則保留了它能飛越更遙遠(yuǎn)的天王星和海王星的可能性。旅行者1號于1979年3月抵近木星，于1980年11月抵近土星；旅行者2號則緊隨其后，分別于1979年7月和1981年8月到達(dá)木星和土星。

在兩個(gè)探測器成功完成預(yù)計(jì)任務(wù)后，經(jīng)過科學(xué)評估，NASA認(rèn)為它們具有繼續(xù)長期飛行的潛力，因此，在完成土星探測之后，旅行者1號離開了黃道面（即地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面）奔赴恒星際空間，而旅行者2號則繼續(xù)承擔(dān)著天王星和海王星的抵近與科學(xué)探測任務(wù)，分別于1986年1月和1989年8月成功完成，并在之后同樣飛離了太陽系。

旅行者1號、2號探測器的軌道示意圖。旅行者1號(綠色)會在完成木星和土星探測后離開黃道面，而2號(橙色)則是接著飛越天王星和海王星之后再飛向恒星際空間。

時(shí)至今日，盡管由于放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器的自然功率衰減導(dǎo)致供電不足而關(guān)閉了部分科學(xué)儀器，兩個(gè)探測器仍然正常地在恒星際空間中遨游，并不斷地向地球發(fā)回科學(xué)數(shù)據(jù)。相較于最初的設(shè)計(jì)壽命，它們的壽命已經(jīng)延長了40多年。如此長壽命的服役，得益于如下三個(gè)關(guān)鍵因素:"核電池”（238放射性同位素衰變熱電發(fā)生器）的超長待機(jī)供電，平臺系統(tǒng)（如控制分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)等）的冗余設(shè)計(jì)保障科學(xué)載荷長期工作，定向高增益天線的信號發(fā)射和地面深空測控網(wǎng)（扮演超級宇宙耳朵的角色）對遙遠(yuǎn)太空微弱信號的接收。

“旅行者”的征途：從故鄉(xiāng)地球到遙遠(yuǎn)天體

旅行者號的主要科學(xué)任務(wù)之一是對外太陽系行星進(jìn)行拍攝測繪與空間環(huán)境測量。作為兩個(gè)探測器飛向深空的“引力跳板”，木星成為其重點(diǎn)觀測目標(biāo)。

1979年春夏之交，旅行者1號與2號接力完成長達(dá)8個(gè)月的抵近探測，為木星及其5顆主要衛(wèi)星拍攝了超過3萬張高清圖像，首次以空前精度揭示了這顆氣態(tài)巨星的復(fù)雜磁場、大氣渦旋及衛(wèi)星系統(tǒng)的動態(tài)特征。

其中最震撼的發(fā)現(xiàn)莫過于木衛(wèi)一（lo）的劇烈火山活動：其表面遍布活火山，噴發(fā)速度高達(dá)每秒上千米的硫氧羽流將鈉、硫等離子體持續(xù)注入木星軌道，直接重塑了木星磁層中的等離子體環(huán)結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅改寫了對行星-衛(wèi)星系統(tǒng)的認(rèn)知——證實(shí)潮汐力（由木星與鄰近衛(wèi)星的軌道共振產(chǎn)生）足以驅(qū)動地外天體的內(nèi)部熱力學(xué)活動，也拓展了行星磁層研究的范式，即衛(wèi)星（木衛(wèi)一）噴發(fā)物質(zhì)與宿主行星（木星）磁場的耦合，形成木星磁層中的能量粒子和輻射帶，并產(chǎn)生壯觀的、迥異于地球極光的木星極光。旅行者號的木星飛掠探測為后續(xù)的伽利略號、朱諾號對木星系統(tǒng)的詳細(xì)勘察奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（左圖）木衛(wèi)一上的硫經(jīng)由火山噴發(fā)進(jìn)入木星磁層環(huán)境的示意圖。

（右圖）由旅行者1號拍攝的木衛(wèi)一洛基火山噴發(fā)活動圖像，這是人類首次發(fā)現(xiàn)地球以外的活火山活動。

此外，旅行者號對木衛(wèi)二（Europa）冰殼裂紋的觀測，催生了冰下液態(tài)海洋的假說，這一跨學(xué)科突破將木星衛(wèi)星推向了地外生命搜尋的前沿。在此基礎(chǔ)上，NASA實(shí)施木衛(wèi)二快船（Europa Clipper）任務(wù)（2024年10月發(fā)射，2030年抵達(dá)木星），將利用冰穿透雷達(dá)、多光譜成像儀、粒子和磁場探測器，系統(tǒng)分析其冰殼厚度、海洋化學(xué)組成及潛在噴發(fā)源，針對木衛(wèi)二重點(diǎn)尋找地外生命可能存在所需的環(huán)境要素。

（左圖）旅行者1號為木星與它的兩顆衛(wèi)星所拍攝的圖像，左側(cè)小天體為木衛(wèi)一，右側(cè)小天體為木衛(wèi)二。

（右圖）旅行者2號拍攝到的木衛(wèi)二表面上布滿冰殼裂紋的圖像。

簡而言之，旅行者號通過揭開行星-衛(wèi)星系統(tǒng)的深層互動，不僅拓展了人類對太陽系的認(rèn)知疆界，更重塑了行星科學(xué)與空間探測的未來圖景。

在離開木星后，旅行者號又依次飛越了土星、天王星和海王星，同樣進(jìn)行了大量的觀測（如前文所言，對天王星和海王星的造訪任務(wù)僅由旅行者2號完成），不斷地更新著人類對遙遠(yuǎn)天體的認(rèn)知。

旅行者1號于1980年飛掠土星，首次揭露其光環(huán)由數(shù)干條動態(tài)環(huán)帶構(gòu)成，并發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六（泰坦，Titan）的氮?dú)獯髿鈱又袧摬刂鴼淝杷岬壬胺肿印?/p>

旅行者2號所拍攝的土星環(huán)系統(tǒng)的成分分層變化圖（偽彩色圖）。圖中最內(nèi)側(cè)藍(lán)色環(huán)帶為C環(huán)，中間橙色至綠色環(huán)帶為B環(huán)，最外側(cè)亮色環(huán)帶為A環(huán)。B環(huán)與A環(huán)之間的暗淡藍(lán)色縫隙為卡西尼縫。不同環(huán)帶之間的顏色差異，反映出環(huán)帶內(nèi)的物質(zhì)化學(xué)成分很可能存在較大的差異。

旅行者2號則孤身挺進(jìn)更遙遠(yuǎn)的冰巨星世界。1986年穿越天王星時(shí)，捕捉到其98°極端自轉(zhuǎn)軸傾斜與磁場嚴(yán)重偏離自轉(zhuǎn)軸的詭異現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)典行星磁場發(fā)電機(jī)理論，行星磁場的產(chǎn)生，依賴于自轉(zhuǎn)帶動的行星內(nèi)部導(dǎo)電流體的運(yùn)動對流，因此磁軸應(yīng)在太陽系所有行星中所測得的最強(qiáng)風(fēng)與自轉(zhuǎn)軸大致對齊，人們對地球、水星等天體的磁場觀測也基本符合該理論的預(yù)測。但天王星的異象，則對經(jīng)典理論提出了挑戰(zhàn)，促使科學(xué)家們進(jìn)一步探索關(guān)于行星磁場的新理論。

作為這趟行星探索旅途“終點(diǎn)站”的海王星，由于其最靠近太陽系邊緣的特殊地位，受到了極大的關(guān)注。海王星距離太陽約30個(gè)天文單位（AU），是一顆氣態(tài)行星。盡管它所接受到的太陽光已經(jīng)十分微弱，只有地球接收到太陽光能量的0.1%左右，但它表面的大氣活動可謂是“動力滿滿”。旅行者2號在海王星抵近觀測期間，測量到它表面的大氣流動速度最高可達(dá)2000千米/小時(shí)，這是我們在太陽系所有行星中所測得的最強(qiáng)風(fēng)速，而且這些風(fēng)的流動方向往往與海王星自轉(zhuǎn)方向相反。海王星的高速反向急流，本質(zhì)可能是內(nèi)部熱能驅(qū)動的。強(qiáng)對流與快速自轉(zhuǎn)引發(fā)的科里奧利效應(yīng)共同作用的結(jié)果。除此之外，旅行者2號還觀測到了若干個(gè)氣旋結(jié)構(gòu)，其中最大的一個(gè)，稱為“大黑斑”，尺寸與地球相當(dāng)。以上種種觀測證據(jù)，都表明海王星的內(nèi)部可能存在著某種遠(yuǎn)超我們想象的能量供應(yīng)源。

除了對海王星本體的觀測之外，旅行者2號還觀測到了6顆圍繞海王星運(yùn)行的衛(wèi)星，其中以海衛(wèi)一最為出名。

根據(jù)旅行者2號的觀測，海衛(wèi)一表面覆蓋有一層堅(jiān)冰，對光的反照率極高，溫度在零下235攝氏度左右。而且，科學(xué)家通過旅行者2號的拍攝推測海衛(wèi)一上存在間歇性的冰火山噴發(fā)活動，向大氣層中噴出大量的氮?dú)?，暗示海衛(wèi)一內(nèi)部存在著氮這類生源元素（維持生物生命生長所必須的營養(yǎng)元素），而且還可能擁有廣闊的冰下液態(tài)水海洋。雖然目前的理論與觀測依據(jù)還較為空缺，但這種潛在的宜居性特征讓海衛(wèi)一成為了我們尋找地外生命信號的最優(yōu)目標(biāo)之一。

直到今天，人們關(guān)于天王星系統(tǒng)和海王星系統(tǒng)的了解，仍然停留在旅行者號時(shí)代。關(guān)于外太陽系冰巨星系統(tǒng)的更多面目和本質(zhì)，亟待發(fā)射后續(xù)遠(yuǎn)征者進(jìn)行勘察。

海衛(wèi)一與海王星的合成圖像，根據(jù)旅行者2號所拍攝的圖片制作而成；海衛(wèi)一（近處天體）表面下方的細(xì)長陰影為冰火山噴發(fā)羽流，紅色方框標(biāo)出了其中較為明顯的一個(gè)羽流。

太陽系全家福：宇宙視角下的謙卑覺醒

1990年2月14日，旅行者1號在距離地球60億千米處“深情”回眸，完成了人類歷史上首次“太陽系全家?！迸臄z。

此時(shí)它已飛越海王星軌道，但尚未突破日球?qū)禹?。在這張由60張照片拼接的影像中，太陽僅是畫面中心的微弱光點(diǎn)，八大行星則如同散落在黑色天鵝絨上的塵埃。地球更是縮小為一個(gè)僅占0.12像素的“暗淡藍(lán)點(diǎn)”，若隱若現(xiàn)地漂浮在陽光散射形成的金色光帶中。這里地球的亞像素大小，是根據(jù)成像距離、物體大小、相機(jī)參數(shù)計(jì)算得到的。NASA科學(xué)家通過現(xiàn)代圖像技術(shù)重新處理原始數(shù)據(jù)，于2020年發(fā)布新版照片：地球的淡藍(lán)色輪廓更清晰，但孤獨(dú)感愈發(fā)強(qiáng)烈——這個(gè)承載70億人類生命的星球，在宇宙尺度下不過是“一粒懸浮在陽光中的微塵”。

旅行者1號探測器在飛離太陽系過程中的“回眸”拍下了太陽系的全家福（左圖），在它的視野里，它的家鄉(xiāng)地球已然成了一個(gè)渺小的暗淡藍(lán)點(diǎn)（右圖）。

著名天文學(xué)家卡爾·薩根（Carl Sagan）對此評論道：“再看看那個(gè)光點(diǎn)。就在這里。這就是家。這就是我們。在這個(gè)小點(diǎn)上，每一個(gè)你愛的人，每一個(gè)你認(rèn)識的人，每一個(gè)你聽說過的人，每一個(gè)人，無論他是誰，都曾經(jīng)生活過......我們的星球只是在這被漆黑包裹的宇宙里一粒孤單的微粒而已。我們是如此的不起眼，在這浩瀚之中，我們不會從任何地方得到提示去拯救我們自身......我們應(yīng)該更加親切和富有同情心地去對待身邊的每。一個(gè)人，同時(shí)更加保護(hù)和珍惜這暗淡藍(lán)點(diǎn)——這個(gè)我們目前所知唯一的家園?！边@張照片深刻反思了人類對自身地位的認(rèn)知，成為科學(xué)史上頗具哲學(xué)意義的圖像。

遭遇終端激波：太陽系邊緣的神秘地帶

在回眸拍完“太陽系全家福”照片之后，旅行者號探測器在行星際空間中順著超聲速太陽風(fēng)繼續(xù)前行，直到在80~90多個(gè)天文單位的日心距離（即到太陽中心的距離）遭遇“終端激波”。

終端激波作為太陽風(fēng)與恒星際介質(zhì)相互作用的動力學(xué)邊界，其形成源于超聲速太陽風(fēng)與恒星際中性氣體的碰撞減速。當(dāng)太陽風(fēng)等離子體以超聲速運(yùn)動并遇到恒星際介質(zhì)的阻礙時(shí)，會在極短的距離內(nèi)發(fā)生速度的突然下降，導(dǎo)致等離子體被強(qiáng)烈壓縮，進(jìn)而引起密度、溫度等參數(shù)的突變。這種突變的激波現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在可壓縮、非線性的物理世界中，比如航空史上突破音障里程碑之超聲速飛機(jī)在飛行時(shí)，周圍的空氣相對于飛機(jī)也是以超聲速流動，在氣流撞上飛機(jī)之前，會通過激波快速減速而升溫。在這里，太陽風(fēng)的速度會從300~700千米/秒驟降，粒子數(shù)密度增大，溫度也隨之升高。這一過渡區(qū)域并非靜態(tài)界面，而是隨太陽活動周期可能在70~100天文單位范圍內(nèi)脈動，這給科學(xué)家們確定其邊界帶來了不小的挑戰(zhàn)。

2004年12月中旬左右，旅行者1號探測到等離子體振蕩頻率達(dá)1~3千赫，同時(shí)其周圍的磁場突然顯著增強(qiáng)且持續(xù)存在，這些有力的證據(jù)表明它在距離太陽約94個(gè)天文單位的時(shí)候成功穿越了終端激波。

在穿越之前，科學(xué)家們對于終端激波的位置推測不一，有的認(rèn)為它可能距離太陽幾十個(gè)天文單位，甚至比一些外圍行星離太陽的距離還近；后來又有觀點(diǎn)認(rèn)為它會隨著太陽風(fēng)的強(qiáng)弱變化，可能在距太陽90~100個(gè)天文單位的范圍內(nèi)變動。旅行者1號的成功穿越證實(shí)了后一種推測。

在穿越過程中，旅行者1號搜集到的數(shù)據(jù)讓科學(xué)家們收獲頗豐。觀測數(shù)據(jù)揭示出與傳統(tǒng)理論的沖突和前沿理論重塑的必要性。傳統(tǒng)終端激波模型預(yù)測低估了太陽風(fēng)動能將轉(zhuǎn)化為熱能的比例，實(shí)際穿越終端激波表明有更多的太陽風(fēng)動能能量可能被“拾起離子”（pickup ions）吸收，形成超熱成分。拾起離子源自恒星際中性原子侵入日球?qū)雍蟊惶栵L(fēng)粒子碰撞電離從而被行星際電磁場捕獲拾起。旅行者號探測器穿越終端激波探測，給出強(qiáng)烈暗示：很可能是拾起離子主導(dǎo)了終端激波的能量耗散過程。高能的異常宇宙線在終端激波處的探測也偏離預(yù)期峰值，在激波下游呈現(xiàn)出通量增加的“反?！爆F(xiàn)象，挑戰(zhàn)異常宇宙射線起源的經(jīng)典理論，暗示終端激波的異常宇宙線粒子加速機(jī)制比預(yù)想更復(fù)雜。

3年后（2007年），旅行者2號在84天文單位處（太陽活動極小年）也成功“沖線”，穿越終端激波面。其路徑緯度差異揭示出終端激波結(jié)構(gòu)的空間不對稱性：旅行者1號更靠近日球?qū)拥摹氨羌狻狈较?，磁場增幅更劇烈；旅行?號偏向日球?qū)拥膫?cè)面，觀測到更持久的等離子體湍流。

旅行者2號在2007年通過終端激波（termination shock，TS）時(shí)，探測到太陽風(fēng)流速由超聲速突變?yōu)閬喡曀?，同時(shí)經(jīng)歷密度和溫度的抬升。(a)穿越終端激波前后測得的磁場強(qiáng)度(B)變化;(b)穿越終端激波前后測得的離子數(shù)密度(N)變化;(c)穿越終端激波前后測得的離子溫度(T)變化;(d)穿越終端激波前后測得的太陽風(fēng)速度(V)減速。

跨越日球?qū)禹敚哼~向恒星際空間的里程碑

科學(xué)家們預(yù)期旅行者號探測器在穿過終端激波之后，將會在激波下游鞘區(qū)里飛行好幾年時(shí)間，直到遇到“日球?qū)禹敗保╤eliopause，也稱太陽風(fēng)徑向流動終止的地方），穿過日球?qū)禹斨蟛耪嬲M(jìn)入充滿恒星際介質(zhì)的恒星際空間。

日球?qū)禹斒翘栵L(fēng)所能抵達(dá)的最遠(yuǎn)距離，它是太陽輸出的物質(zhì)和磁場所能控制勢力范圍的“邊界”（在本文中簡稱“太陽系邊界”，但不是太陽引力控制的邊界），是太陽磁場影響終止、星際空間開始的地方。這里太陽風(fēng)與星際介質(zhì)相互碰撞、相互作用，形成了極為復(fù)雜的物理現(xiàn)象。

2012年8月25日，旅行者1號在122天文單位的日心距離成功穿越日球?qū)禹?，成為第一個(gè)進(jìn)入恒星際空間的人造航天器。2018年11月5日，旅行者2號也順利穿越日球?qū)禹敚藭r(shí)它距離太陽約119天文單位。

旅行者1號與旅行者2號分別于2012年與2018年穿過日球?qū)禹?，飛向茫茫恒星際空間。

在跨越這一重要邊界時(shí)，探測器周圍的等離子體環(huán)境發(fā)生了顯著變化，例如太陽風(fēng)等離子體能量的粒子通量急劇下降，來自銀河宇宙線的高能粒子（大于50兆電子伏特）數(shù)量卻大幅增加。這些變化標(biāo)志著旅行者號探測器告別了太陽風(fēng)的“勢力范圍”，正式從行星際空間踏入了恒星際空間。

在2018年11月，旅行者2號穿越了日球?qū)禹敚℉P），來到了磁場更強(qiáng)（上）、高能宇宙線粒子通量更強(qiáng)（下）的星際介質(zhì)區(qū)域之中。

太陽活動具有周期性，大約每11年為1個(gè)周期。這一周期對日球?qū)禹數(shù)奈恢糜兄匾绊憽Ｔ谔柣顒痈吣?，即太陽活動劇烈的時(shí)期，太陽風(fēng)更為強(qiáng)勁，日球?qū)禹敃蛲鈹U(kuò)張；而在太陽活動低年，太陽風(fēng)相對較弱，日球?qū)禹攧t會向內(nèi)收縮。旅行者1號和2號傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)，為科學(xué)家們研究日球?qū)禹斘恢米兓c太陽周期的關(guān)系提供了關(guān)鍵線索，讓我們對太陽系與恒星際介質(zhì)相互作用的動態(tài)過程有了更深刻的理解。通過對比兩個(gè)探測器在不同時(shí)間、不同位置穿越日球?qū)禹數(shù)臄?shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)日球?qū)禹敳⒎鞘且粋€(gè)規(guī)則的球面，在不同方向上存在差異。這一發(fā)現(xiàn)可能與磁化的恒星際介質(zhì)的各向異性，以及太陽風(fēng)與恒星際介質(zhì)相互作用的復(fù)雜性密切相關(guān)。

前赴后繼的遠(yuǎn)征：太陽系邊界探索旅程仍在繼續(xù)

2006年1月發(fā)射的新視野號，是首個(gè)專門探測冥王星系統(tǒng)和柯伊伯帶的探測器。2015年7月，它飛掠冥王星，首次傳回這顆“冰矮行星”的高清圖像；2019年1月，又近距離觀測了柯伊伯帶天體“天涯海角”（Arrokoh），揭示其由兩個(gè)冰天體融合而成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

除了既定目標(biāo)，新視野號還肩負(fù)著補(bǔ)充旅行者號未竟的探測任務(wù)：旅行者號發(fā)現(xiàn)外日球?qū)哟嬖凇笆捌痣x子”（恒星際中性原子被太陽風(fēng)電離的產(chǎn)物），但其能量上限受限于載荷，難以精確測量。新視野號攜帶的先進(jìn)等離子體探測器，可覆蓋更寬能量范圍，幫助科學(xué)家理解這類離子如何影響日球?qū)舆吔缪莼?/p>

截至2025年，新視野號已飛至60天文單位（約89.7億干米），正以14千米/秒的速度向恒星際空間挺進(jìn)，預(yù)計(jì)2040~2050年穿越日球?qū)禹敗?/p>

除了直接探測之外，人類通過遙感成像揭開日球?qū)舆吔绲娜置婕?。關(guān)鍵“信使”是能量中性原子（ENA）——太陽風(fēng)與恒星際介質(zhì)碰撞產(chǎn)生的中性粒子，不帶電荷，可徑直飛向地球，成為記錄邊界物理過程的“宇宙明信片”。

新視野號在外日球?qū)犹栵L(fēng)中的運(yùn)動以及冥王星飛越示意圖。外日球?qū)右话闶侵笍?0天文單位（土星位置）到日球?qū)禹敚?20天文單位）的范圍。在外日球?qū)?，太陽風(fēng)的屬性和內(nèi)日球?qū)釉跆栵L(fēng)的屬性不太一樣，會更多受到星際介質(zhì)侵入物的影響。圖中的彩色條帶表示太陽風(fēng)磁場，右上角的圖片是新視野號飛越冥王星北極時(shí)拍攝的。

2008年發(fā)射的恒星際邊界探測器（IBEX），在地球軌道上每半年生成一張ENA全天空圖譜。不同于旅行者號的單點(diǎn)探測，IBEX的“全局視野”首次呈現(xiàn)日球?qū)舆吔绲牟粚ΨQ性：例如，"鼻部”(太陽相對局地恒星際介質(zhì)的運(yùn)動方向)ENA信號強(qiáng)烈，而“尾部”信號較弱，暗示恒星際介質(zhì)流動對邊界的塑形作用。

2025年9月發(fā)射的星際測繪與加速探測器（IMAP），將入駐日地第一拉格朗日點(diǎn)（距地球150萬干米），作為更高精度的“太陽系邊界測繪師”。IMAP對ENA的探測效率比IBEX有顯著提升，探測能量范圍也有所擴(kuò)展，有望更精細(xì)地觀測反演日球?qū)舆吔缣幍奈镔|(zhì)演化過程、推測恒星際介質(zhì)與磁場的性質(zhì)，乃至重構(gòu)出日球?qū)舆吔绲恼w形狀，促進(jìn)關(guān)于太陽系邊界與局地恒星際介質(zhì)謎題的認(rèn)知。

BEX探測器遙感觀測到來自太陽系邊界的高能中性原子(ENA)微分通量密度的全天空分布圖。通過圖中偏綠色的“緞帶”式結(jié)構(gòu)可以推斷出恒星際磁場的大致方向(如圖中黑色流管所示)，白點(diǎn)標(biāo)出的旅行者號探測器(Voyager 1/2)位置代表這兩個(gè)探測器最終離開日球?qū)訒r(shí)的方位。

我國的科研團(tuán)隊(duì)也在開展研制大幾何因子、多探頭、干線陣列的ENA探測器，以期實(shí)現(xiàn)對日球?qū)舆吔绲腅NA全天空分布實(shí)現(xiàn)快速測繪的目標(biāo)。

根據(jù)我國2024年10月15日發(fā)布的《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024一2050年）》，太陽系邊際探測被納入“日地全景”主題下的外日球?qū)犹綔y方向，聚焦太陽風(fēng)-恒星際介質(zhì)相互作用的物理過程與機(jī)理。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃在2028~2035年，將太陽系邊際探測作為重點(diǎn)任務(wù)與巨行星系統(tǒng)探測、金星大氣采樣返回等協(xié)同實(shí)施，揭示太陽風(fēng)擾動三維傳播規(guī)律、太陽風(fēng)-恒星際介質(zhì)相互作用機(jī)制及太陽系邊際物質(zhì)循環(huán)與能量交換；在2036~2050年，進(jìn)一步深化探測太陽活動對日球?qū)拥挠绊懠捌渑c恒星際介質(zhì)的相互作用機(jī)理，助力我國在日地系統(tǒng)及恒星際環(huán)境研究領(lǐng)域躋身國際前列，為理解太陽系演化與恒星際介質(zhì)特性提供關(guān)鍵科學(xué)支撐。

中國論證團(tuán)隊(duì)提出的基于同位素能源的探測器示意圖（左）、核反應(yīng)堆探測器主構(gòu)型示意圖（右）。

化身恒星際探測任務(wù)：恒星際空間探測研究的新紀(jì)元

旅行者號穿越太陽系邊界后，首次原位“觸摸”了恒星際空間的物質(zhì)，揭開恒星際空間狀態(tài)及其變化的神秘面紗。其中一個(gè)令人矚目的現(xiàn)象是局地恒星際空間的“意外高溫”。原本以為遠(yuǎn)離太陽的恒星際介質(zhì)會相對較冷，理論預(yù)測溫度約6400開爾文(K)，但旅行者號的探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)，實(shí)際溫度高達(dá)3萬~5萬開爾文，比預(yù)測值高了好幾倍?？茖W(xué)家推測，這可能是太陽系邊界的磁場重聯(lián)或激波耗散產(chǎn)生的熱量，恒星際介質(zhì)流就像高速行駛的汽車突然剎車，動能轉(zhuǎn)化為熱能。

另外一個(gè)有意思的現(xiàn)象，是恒星際物質(zhì)的“密度起伏”。通過測量電子密度，旅行者號發(fā)現(xiàn)恒星際介質(zhì)并不是均勻分布的：從太陽系邊緣向外，每立方厘米的電子數(shù)量在0.04到0.12之間變化，呈現(xiàn)明顯的梯度。這說明恒星際空間中存在大尺度的物質(zhì)“漣漪”，有的地方更稀薄，有的地方更密集。

太陽活動的“跨邊界影響”也是首次探測到。在太陽活動高年的2012年，太陽爆發(fā)的強(qiáng)烈日冕物質(zhì)拋射（CME）所驅(qū)動的激波穿過邊界抵達(dá)恒星際空間時(shí)，旅行者1號檢測到等離子體振蕩電場信號突然增強(qiáng)（1.8~3.5千赫），表明局地的恒星際物質(zhì)受到穿透激波的壓縮而出現(xiàn)密度變化，同時(shí)宇宙射線強(qiáng)度也出現(xiàn)同步變化。這證明太陽的“一舉一動”，即使在百億干米外仍能影響恒星際環(huán)境。

根據(jù)哈勃天文望遠(yuǎn)鏡等對太陽系周圍的恒星際介質(zhì)的觀測，我們周圍的恒星際空間由多個(gè)“星際云團(tuán)”組成（如LIC、G云），每個(gè)云團(tuán)的溫度、運(yùn)動速度和元素組成都不一樣，內(nèi)部還存在更小尺度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。科學(xué)家推測，如果未來太陽系進(jìn)入更熱的星際云（如G云），太陽系邊界的終端激波和激波下游的區(qū)域可能會急劇膨脹，到達(dá)300個(gè)天文單位，徹底改變?nèi)涨驅(qū)拥男螒B(tài)。

最近，科學(xué)家通過觀測和模擬發(fā)現(xiàn)，在400多萬年前，太陽系很可能穿過了一片溫度很低的恒星際介質(zhì)云，當(dāng)時(shí)日球?qū)颖粔嚎s得很小，連地球都直接暴露在恒星際物質(zhì)流和宇宙射線的沖擊下，這對地球的物質(zhì)組成和適合生命生存的條件都產(chǎn)生了很大影響。在地球深海沉積物、鐵錳結(jié)殼中發(fā)現(xiàn)的鐵60和244同位素沉積，表明地球在幾百萬年前曾經(jīng)和恒星際介質(zhì)直接接觸，從而接收了源自超新星爆發(fā)、中子星合并遺留在恒星際介質(zhì)中的放射性同位素。恒星際介質(zhì)與地球大氣的接觸可產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，很可能導(dǎo)致地球中層大氣中的臭氧的消耗，進(jìn)而改變地球表面和大氣的能量平衡，致使地球冷卻。這種冷卻趨勢與海底有孔蟲微化石中氧同位素的測量結(jié)果相符。這些微化石記錄了過去海洋環(huán)境的變化，其氧同位素?cái)?shù)據(jù)暗示了當(dāng)時(shí)地球氣候的變化趨勢。

如今，旅行者號仍在恒星際空間中遨游著，但它們不再“孤單”，在21世紀(jì)，已經(jīng)有多個(gè)探測器正在或?qū)⒁薪勇眯姓叩闹負(fù)?dān)，完成其未竟之事。

作者簡介

何建森

北京大學(xué)博雅特聘教授，從事空間物理與空間探測的研究。

陳天航

北京大學(xué)博士生，從事日球?qū)哟帕黧w力學(xué)模擬研究，空間等離子體探測物理設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

王維寧

北京大學(xué)博士生，從事日球?qū)蛹げ?、磁重?lián)動力學(xué)過程的觀測和模擬研究，空間能量中性原子物理設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第6期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 范周桐