2013年9月13日，美國宇航局NASA通過其網站發布消息稱，其在1977年發射的旅行者1号探測器，已經于2012年8月25日進入星際空間，成為第一個進入這一全新太空區域的人類航天器。随即，媒體開始報道這一令人振奮的消息——“旅行者1号首次飛出太陽系”、“人類制造的航天器首次到達太陽系邊緣”，諸如此類。但是，有天文學家提出反對意見——“太陽系很大”、“旅行者1号距離太陽系邊緣還有很遠的距離”、“再過幾萬年也飛不出太陽系”等等。那麼，旅行者1号在2012年所到達的地方是怎樣的一個太空區域呢？太陽系的邊際在哪裡呢？蒸蒸日上的中國航天，會不會也要到那個神秘的地方去一探究竟呢？

圖1. 旅行者1号探測器。

（圖片來自NASA）

旅行者1号和旅行者2号是美國宇航局為了探測太陽系的外行星而研制的兩顆雙胞胎探測器。其中作為小弟的旅行者2号于1977年8月20日率先發射升空，而作為大哥的旅行者1号卻有點墨迹，于1977年9月5日才發射升空。大哥畢竟是大哥，旅行者1号後來居上，飛得比旅行者2号要快一些。1979年3月5日，旅行者1号飛掠木星，獲得木星的引力弓加速；1980年11月12日飛掠土星，獲得土星的引力弓加速，繼續向太陽系外圍飛行。旅行者2号于1979年7月9日飛掠木星，獲得木星的引力弓加速；1981年8月25日飛掠土星，獲得土星的引力弓加速。旅行者2号在土星軌道處調整了方向，向着天王星和海王星方向飛去，于1986年1月24日和1989年8月25日分别飛掠了天王星和海王星，随後奔向太陽系外圍的太空區域。

圖2. 旅行者2号探測器。

（圖片來自NASA）

圖3. 旅行者1号和旅行者2号的飛行軌迹和途經位置。

（圖片來自NASA）

與其他恒星一樣，太陽是通過其中心的核聚變過程産生巨大的能量，它不僅可以發光發熱，而且源源不斷地向周圍吹出一種叫做太陽風的等離子體，這種等離子體是一種電離氣體，也就是原子核周圍的電子被剝離而成為帶正電的離子，帶負電的電子在更遠的距離上自由流動。這種太陽風等離子體非常稀薄，微觀粒子之間幾乎沒有碰撞，卻能通過電磁相互作用與太陽的磁場緊緊地“粘”在一起。太陽風攜帶着太陽磁場以很高的速度向太陽的四面八方流動，其速度比我國高鐵還要快4000倍，最終在大約80天文單位（地球到太陽的平均距離）的地方産生一個終止激波，并減速到聲速以下。減速後的太陽風繼續向外膨脹，直到遇到來自星際空間的等離子體，相互交彙而形成一個厚度約為1億多公裡的邊界層，這個邊界層就稱為日球層頂。日球層頂以内的區域，是太陽風和太陽磁場所能到達和“管轄”的區域，稱為日球層；日球層頂以外的區域，是星際介質“管轄”的區域，稱為星際空間。太陽是銀河系的一顆恒星，它攜帶着整個太陽系的天體，圍繞着銀河系中心以每秒200公裡的速度公轉，因此日球層不是一個圓球形的“泡泡”，而是一個被拉長了的橢球形的“泡泡”。

圖4. 日球層：太陽風吹出來的巨大“泡泡”。

（圖片來自NASA）

像太陽風和星際介質這樣的等離子體，由于過于稀薄而無法産生微觀粒子之間的碰撞，被稱為無碰撞等離子體。由于微觀粒子大多都是帶電的，它們之間存在電磁相互作用，即帶電粒子的運動受到周圍其它帶電粒子所産生的電場和磁場的影響，同時帶電粒子會産生電場，帶電粒子的運動會産生磁場，反過來又影響周圍的電磁場，從而使這些微觀粒子通過電磁相互作用而耦合在一起，成為一個整體，并産生複雜的集體效應。除了電磁相互作用，宇宙間還有引力相互作用、強相互作用和弱相互作用。其中強相互作用隻存在于原子核的内核子之間，其作用距離大概是1納米的百萬分之一；而弱相互作用則存在于更小距離上的誇克與誇克之間。引力與電磁力都是長程力，其中靜電力具有和引力相同的數學表達式，但具有不同的物理屬性：一個來源于質量而又作用于質量，另一個來源于電荷而又作用于電荷。在同一個位置上，引力和電磁力可以共存，但對于不同的物理過程和現象，總有一個起主導作用而另一個可以被忽略。在天文學家眼裡，主要是引力起主導作用，而在空間物理學家眼裡，主要是電磁力起主導作用。

圖5. 旅行者2号在日球層頂觀測到的太陽風離子和高能宇宙線。

（圖片來自NASA）

按照美國宇航局的消息，旅行者1号于2012年8月25日進入了人類航天器從未到過的星際空間。這一消息是旅行者号科學團隊在激烈争論了一年之久之後才宣布的，并且仍有科學家反對這一結論。2018年12月，在華盛頓召開的美國地球物理學會秋季會議上，美國宇航局宣布旅行者2号于2018年11月5日進入了星際空間。相比之下，旅行者2号的消息宣布得更快，原因就在于人類從未實地探測過這樣的區域，從未基于實際觀測來認識過這一區域的特征和現象，此前所有的認知都是基于理論計算和推測。首先，判斷旅行者1号進入星際空間的關鍵證據，是基于其攜帶的等離子體波動探測儀，等離子體波動是等離子體中的電子集體震蕩，其震蕩的頻率與電子的密度有關。在2013年4月9日至5月22日期間， 旅行者1号探測到等離子體波動頻率為3100赫茲，對應的電子密度為0.08/立方厘米，也就是說，太空中每12.5毫升的體積中隻有一個電子，相比于森林中每立方厘米2000多個的負氧離子含量，可見那裡的等離子體有多麼稀薄。但即便是這樣稀薄的電離氣體，也比日球層裡面的太陽風等離子體稠密40倍，這個密度符合理論預期的星際空間密度。根據這一觀測，再對比稍早的觀測數據，科學家發現旅行者1号最早在2012年8月25日就觀測到了這一現象，從而判定旅行者1号在那時就已經觸及了星際空間，也就是說，旅行者1号正在跨越日球層頂，這個位置大約為183億公裡，相當于122天文單位。也有科學家反對，反對的理由是旅行者1号沒有觀測到磁場的突然變化，因為來源不同的等離子體攜帶者各自起源不同的磁場，在邊界面上應該有磁場的突然變化。如果沒有觀測到磁場的變化，單靠等離子體波動推算的等離子體密度，似乎證據不足。6年後，旅行者2号也到達了大約180億公裡的距離，并且在這裡觀測到了來自太陽的等離子體密度突然下降，而來自星際空間的高能宇宙線粒子突然上升，從而更加有把握的确認了旅行者2号也正在穿越太陽吹出來的巨大“泡泡”的邊緣，也就是日球層頂，進入了星際空間。旅行者2号還确認了在這個“泡泡”的裡面和外面，來源不同的兩種磁場是相互平行的，同時也解釋了旅行者1号沒有觀測到磁場的變化是正常的。應該指出的是，日球層頂的厚度可達1億多公裡，并且是随着當地兩側等離子體的拉鋸戰而不斷移動的。因此，旅行者1号觸及到了星際介質，可能還會再次被太陽吹出來的“泡泡”所浸沒。

圖6. 地球磁場在太陽風中制造的“泡泡”及其與月球軌道的關系。

既然旅行者1号和旅行者2号觸及到了來自的星際空間的物質，就意味着人類已經把自己的“觸角”伸到了太陽的“泡泡”以外，那麼旅行者1号飛出太陽系的說法為什麼遭到天文學家的反對呢？我們可以類比地球和月球：月球是地球的天然衛星，是依靠引力圍繞地球運行而與地球組成地月系。地球吹出的“泡泡”在向陽面距離地球大約7萬公裡，而月球距離地球平均為38萬公裡。因此，月球在繞地球運行的軌道上，輕輕松松就穿出了地球的“泡泡”而進入太陽風中，我們可以說月球進入太陽風就脫離了地球嗎？顯然沒有。事實上，太陽系中像月球這樣的衛星不止一個，很多行星的衛星就穿梭于行星“泡泡”與太陽風之間，但是它們并沒有脫離行星，也就是沒有脫離這種引力主導的運行關系。太陽系是由太陽、行星、小行星、彗星以及外圍的冰塊塵埃等組成的龐大系統，這些宏觀物體依靠引力而聚集在一起。太陽系的八大行星中，最外側的海王星距離太陽大約為30天文單位，冥王星和其它柯伊伯帶的天體，最遠可以運行到55天文單位。所有這些天體，都被太陽的 “泡泡”包裹着而浸沒在太陽風中。可是，在這個“泡泡”之外呢？還有沒有宏觀物體？冥王星是一位不幸的小夥伴，在被發現後還沒有繞太陽轉完一圈，就被無情地除名了。依據2015年的一項研究，科學家根據柯伊伯帶天體的軌道分布特征，理論上推算出可能的第九大行星的位置，可達600天文單位，遠遠超過了太陽的“泡泡”邊緣——日球層頂。如果這顆行星真的存在，它就像飛出地球磁層而進入太陽風的月球那樣，在自己的軌道上輕松可以飛出日球層頂，但卻不能說它飛出了太陽系。雖然這個第九大行星仍隻是理論推算而缺乏觀測證據，但是太陽系還有遠至1光年之遙的奧爾特雲，被認為是長周期彗星的起源，那裡的冰塊、石塊和塵埃仍然是太陽系的宏觀物體，仍然受太陽引力支配，但它們卻遠遠地處于太陽的日球層之外。因此，飛出了日球層，并不意味着飛出了太陽系。一個宏觀物體要飛出太陽系，首先要具備足夠的速度，對應到地球上就是每秒16.7公裡的第三宇宙速度，而且要到達太陽與另一顆恒星的引力平衡點，這遠遠超過了奧爾特雲的距離。另一方面，NASA的報道并沒有說飛出太陽系，隻是說“進入了星際空間”、“飛越了日球層的邊緣”。因此，“飛出太陽系”的說法，屬于文字誤讀和善意期盼。

圖7. 柯伊伯帶和奧爾特雲。

（圖片來自網絡）

從空間物理學家的視角，飛出日球層，就觸及到了星際介質，從電磁力主導的物理過程理解，這也是一個振奮人心的消息，對于揭示太陽風與星際等離子體的相互作用過程具有劃時代意義。正因為我們缺乏對這一區域的認知，才需要進行實地探測活動。因此，無論是從引力角度還是從電磁力角度來定義太陽系的邊際，那裡都充滿着值得我們探索和揭示的未知現象和過程。對此，我國已經啟動太陽系邊際探測的論證。令人期待的是，在不久的将來，我國在日球層頂以及更遠的深空，也将留下中國人堅實的探索腳步。

- 作者信息 -

大雁，有情懷的空間物理學博士，關注科普的一線科學家。

排版 | 弢弢

審核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 蘇蘇

封面圖片來自NASA

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