2018年12月美國國家航空航天局(NASA)的旅行者2號(Voyager 2)宇宙飛船以其姊妹“旅行者1號”(Voyager 1)為榜樣，進入了星際空間（即飛出太陽系）。目前包括“旅行者”號在內，只有五艘宇宙飛船能夠飛出如此巨大的空間。剩下的三分別是先驅者10號和11號，以及新視野號，那么下一個飛出太陽系的宇宙飛船將是？這個里程碑（到達星際空間）可以被認為是離開了太陽系，讓我們弄清楚這意味著什么。1990年《紐約時報》報道說：先驅者在飛越海王星軌道時離開了太陽系。然而旅行者2號的科學家們并不是用它來做決定的。

博科園-科學科普：相反最近的測量認為，太陽的日球頂(理論上的日球層邊界)交叉是進入星際空間的決定因素。日球層是由經(jīng)過太陽帶電粒子形成的氣泡，科學家們用它來標記星際空間的起點。但是日球層是復雜的，它隨著太陽22年的太陽周期而變化，隨著太陽風的收縮和增長，并沿著恒星的運行方向向太陽后方伸展。

從地球上測量并不容易。美國國家航空航天局(NASA)星際邊界探測器(IBEX)任務正在努力遠程確定氣泡的邊緣。旅行者號探測器的觀測表明，它們已經(jīng)穿透了這個氣泡。然而由于研究人員認為太陽也被奧爾特云(Oort Cloud)所包圍，這是一片由冰體組成的區(qū)域，據(jù)估計其范圍從1000到10萬個天文單位不等，遠遠超出了太陽頂層。

旅行者2號探測器穿越太陽系的畫面，圖片：NASA

旅行者號探測器不能被認為完全脫離太陽系(一個天文單位或AU，是地球和太陽之間的距離——9300萬英里或1.5億公里)。當旅行者1號和2號穿越太陽風頂時，他們仍然在工作的粒子儀器揭示了這一歷史事件。日球層起著屏蔽作用，擋住了其他恒星發(fā)出的宇宙射線所產(chǎn)生的許多高能粒子。通過跟蹤在太陽系內部發(fā)現(xiàn)的低能粒子和來自太陽系外部的高能粒子，這些儀器可以揭示宇宙射線的突然激增，提醒科學家宇宙飛船已經(jīng)離開了太陽系。那么下一個進入星際空間的宇宙飛船是什么呢？

詳細信息

日球層不斷變化的性質使得我們無法判斷先驅者10號和11號什么時候進入星際空間，可能他們中的一個可能已經(jīng)…。根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)《超越地球:深空探索編年史》(Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration)，截至2017年11月5日，先驅者10號距離地球約118.824天文單位，是除旅行者1號以外距離地球最遠的航天器。

然而當先驅者11號和旅行者2號都朝著太陽表面的運行方向前進時，先驅者10號卻朝著后面的方向前進。根據(jù)2017年的研究，日球層的尾部距離太陽約220 AU。由于先驅者10號每年的行程約為2.5 AU，因此先鋒需要大約2057年(40年)的時間才能到達不斷變化的邊界。

太陽系日球層保護我們的行星免受宇宙輻射。它不斷變化的形狀使得人們很難預測宇宙飛船什么時候會越過邊界進入星際空間。圖片：NASA/Goddard

截至2017年11月5日，“先驅者11號”距離地球約為97.6AU。與它的孿生兄弟不同的是，宇宙飛船的運行方向與旅行者號大致相同。旅行者2號以120天文單位進入星際介質。由于先驅者11號以每年2.3 AU的速度飛行，它應該會在2027年左右的未來10年進入星際空間——假設邊界不會改變，它很可能會改變。

那，三艘宇宙飛船中最新的一艘新地平線號（新視野號）呢？2019年1月1日，這艘宇宙飛船進行了最近一次飛越太陽系天體的飛行，發(fā)射時間遠遠晚于其他四次。在飛越期間，“新地平線”距離太陽43天文單位。這次任務的首席研究員艾倫·斯特恩(Alan Stern)說：飛船每年飛行3.1個天文單位，或者說10年內飛行31個天文單位。

再過20年，飛船有相當大的機會進入星際空間。如果“新地平線”號越過旅行者2號的相同邊界(它不會，但只是作為基線來考慮)，它將在2043年，也就是不到24年的時間里完成這趟旅程。但ISM的這條線有可能向內移動，允許更快地越過。雖然我們無法直接確認“新地平線”號是否與“先驅者”號宇宙飛船一起穿越太陽風頂，但它仍有可能繼續(xù)發(fā)揮作用，并將提供星際空間的詳細研究。它攜帶的粒子探測器比旅行者號上發(fā)現(xiàn)的粒子探測器強大得多。此外“新視野”號還攜帶了一個灰塵探測器，它可以提供對日球層以外區(qū)域的觀察。在星際介質中放置一個塵埃探測器將是一次非常寶貴的經(jīng)歷。

由太陽風形成的日球層是一個大氣泡，它保護太陽系免受外部危險的星系輻射，圖片：NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

但無論它們是否還能正常運轉，情況都將非常嚴峻。斯特恩認為，功率是限制因素?！靶碌仄骄€”號的燃料是衰變的二氧化钚。目前，這艘宇宙飛船有足夠的動力工作到本世紀30年代末，目前運行狀況良好。如果不斷變化的日球層保持靜止(這不大可能發(fā)生)，先驅者11號將在2027年成為下一個穿過日球頂?shù)?，接著?043年的新地平線號?！跋蠕h10號”是五艘發(fā)射飛船中的第一艘，將于2057年最后離開日球層。同樣，這假設了在未來40年里日冕頂保持靜止的極端不現(xiàn)實的可能性。

做“通行證”

“先驅者10號”和“先驅者11號”上都有一塊銘牌，銘牌上的設計被鐫刻在飛船天線支撐支柱上的鍍金陽極化鋁板上，以幫助飛船免受星際塵埃的侵蝕。圖片：NASA

如果你對宇宙飛船在長跑比賽中什么時候會“超過”對方感興趣，大衛(wèi)·克蘭諾在他的博客中計算出了這些數(shù)字，沒有比這更強大的了。克蘭諾在航天工業(yè)工作，從未參與過這五次任務中的任何一次。

需要說明的是，這些航天器都在不同的路徑上運行，所以它們不會像在公路上運行那樣彼此擦身而過。相反，隨著時間的推移，距離地球最遠和最近的行星將會發(fā)生變化。克蘭諾說：我一直對旅行者號和先驅者號很感興趣，我只是好奇，當一些文章提到‘新地平線號’比先驅者號走得更快時，他們什么時候會相遇。

利用有限的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)“旅行者1號”在1982年至1983年間超過了“先驅者11號”。估計“旅行者2號”在1988年3月左右超過了“先驅者11號”，盡管速度和方向的變化表明它可能更快。由于“新地平線”號通過“先驅者10號”和“11號”都是在遙遠的將來，因此這些數(shù)字的誤差幅度將非常大。然而根據(jù)截至2017年12月的每艘飛船的飛行速度，計算出“新視野號”將在2113年超過“先驅者11號”，直到2187年才會超過“先驅者10號”。

2019年1月1日美國宇航局的新地平線號宇宙飛船飛過柯伊伯帶的終極目標圖拉，這是歷史上最遠的一次行星飛行。圖片：Adrian Mann/All About Space

博科園-科學科普｜文: Nola Taylor Redd/Space

博科園-傳遞宇宙科學之美