太陽系邊際探測：人類認(rèn)識宇宙的新窗口

太陽系是在太陽強(qiáng)大引力作用下，由太陽、8大行星、近500個(gè)衛(wèi)星和超過120萬個(gè)小行星，眾多矮行星、彗星以及行星際介質(zhì)等組成的龐大天體系統(tǒng)，所有天體都圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)。

太陽系示意圖

隨著人類深空探測能力的不斷提升，認(rèn)識宇宙的手段越來越豐富，范圍越來越廣，太陽系邊界探測已經(jīng)成為人類航天活動的重要方向，成為人類認(rèn)識宇宙的新窗口。太陽系的邊界在哪里？邊界之外是怎樣的新世界？到達(dá)太陽系邊界又需要克服哪些難題？

太陽系的邊界在哪里

1977年，美國發(fā)射旅行者１號、２號探測器，在完成預(yù)定行星探索任務(wù)后，開始向太陽系邊界出發(fā)。2012年8月，旅行者1號在距太陽約121AU（1AU為日地平均距離，1.5×108公里）、距地球約190億公里處飛出日球?qū)樱蔀榈谝活w進(jìn)入星際空間的探測器。隨后，旅行者2號在2018年12月超越日球?qū)禹?，進(jìn)入星際空間。

日球?qū)禹敽托请H空間都是與太陽系邊界有關(guān)的概念，它們有什么含義？太陽系的邊界離我們有多遠(yuǎn)？

對太陽系邊界，科學(xué)家們提出了3種定義。第一種是以行星軌道為界，從太陽延伸到海王星，直徑約30AU，是范圍最小的邊界。

這個(gè)邊界并不固定。2006年，國際天文學(xué)聯(lián)合會把冥王星從行星隊(duì)伍里踢了出去，使太陽系范圍一下子縮小約三分之一。2016年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶6顆天體運(yùn)行軌道異常的現(xiàn)象，推測那里可能存在第9大行星，如果在未來真實(shí)觀測到這顆行星，太陽系邊界將有很大擴(kuò)展。

第二種定義是以日球?qū)禹敒榻?，這也是兩顆“旅行者”曾經(jīng)抵達(dá)的地方。

根據(jù)人類對太陽和宇宙空間的觀測，太陽持續(xù)不斷地向外噴射超聲速帶電粒子流，形成橫掃空間的太陽風(fēng)；另一方面，廣闊無垠的宇宙空間，充斥著各種原子、分子和塵埃等低溫星際介質(zhì)。太陽風(fēng)在吹開星際介質(zhì)的同時(shí)逐漸減速，最終達(dá)到平衡。整個(gè)過程就像是太陽在銀河系用力吹出來一個(gè)磁化等離子體“大氣泡”，這個(gè)大氣泡就是日球?qū)印?/p>

受太陽活動強(qiáng)度周期變化的影響，太陽風(fēng)的強(qiáng)度也不斷改變，所以日球?qū)拥男螤詈头秶⒉还潭?。以日球?qū)佣x的太陽系邊界，距太陽約80～150AU，旅行者1號和2號用了近40年的時(shí)間抵達(dá)這里。

第三種定義是以太陽引力范圍為界。日球?qū)又?，仍有廣闊范圍的天體繞太陽運(yùn)行，這個(gè)邊界距離太陽大約5萬～10萬AU，最遠(yuǎn)處是奧爾特云，一個(gè)裝滿了彗星的“大倉庫”。引力邊界是范圍最大的太陽系邊界，到太陽有1光年的距離。

太陽系范圍如此廣闊，在太陽系與其他恒星系之間，還有更加廣闊的星際空間，彌漫著稀薄的中性粒子、等離子體、宇宙塵埃等星際物質(zhì)。2013年3月，旅行者1號探測附近空間的等離子體密度提升了40多倍，科學(xué)家們由此判斷它飛出日球?qū)?，進(jìn)入了星際空間。

挑戰(zhàn)人類未知，探索無垠邊界

迄今，人類已經(jīng)向太空中發(fā)射數(shù)千顆航天器，其中絕大多數(shù)運(yùn)行在地球軌道，有100多顆飛出地月系，探測太陽、其他行星和小天體，還有寥寥數(shù)顆踏上更遠(yuǎn)的旅程，飛往太陽系邊際。它們是先驅(qū)者10號、11號，旅行者1號、2號和新視野號。

先驅(qū)者10號、11號分別在1972和1973年發(fā)射。先驅(qū)者10號首次成功穿越火星和木星之間的小行星帶，飛掠木星，并利用木星的引力加速，在1983年飛出海王星軌道。受能源限制，2003年它與地球通信中斷時(shí)，已經(jīng)飛到距太陽80AU的位置，并繼續(xù)沿著遠(yuǎn)離銀河系中心的方向前進(jìn)。

先驅(qū)者11號在1974年掠過木星，利用木星引力飛往土星，之后依次穿越土星光環(huán)和海王星軌道，并朝銀河系中心方向前進(jìn)。它在1995年與地球通信中斷，與太陽距離43AU。

有了先驅(qū)者號的探索，旅行者號的旅程更加順利。旅行者1號先后到訪木星、土星，對土星環(huán)和土衛(wèi)六大氣層進(jìn)行了詳細(xì)探測。它裝有3枚核電池，可以支撐與地球通信到2025年，而它在星際空間的旅程還要持續(xù)4萬年，才能進(jìn)入下一個(gè)恒星“氣泡”。

旅行者2號有另一番傳奇經(jīng)歷，它幸運(yùn)地趕上了176年一遇的“四星聯(lián)游”窗口，一次實(shí)現(xiàn)對木星、土星、天王星和海王星的飛越探測。

新視野號探測器發(fā)射于新世紀(jì)，在2006年進(jìn)入軌道，2015年飛越冥王星。它以每年3.4AU的高速飛行，預(yù)計(jì)在2030年飛臨日球?qū)舆呺H，只花費(fèi)24年時(shí)間，是人類最快的探測器。

太陽系邊界極其遙遠(yuǎn)、極其寒冷、極其黑暗，充滿神秘和未知，是目前人類技術(shù)能力的極限。太陽系邊界也蘊(yùn)藏著重要秘密和寶藏，這里是保護(hù)太陽系免遭銀河宇宙射線潛在危害的第一道“防線”，保留著太陽系誕生早期的信息。

太陽風(fēng)在日球?qū)拥膫鞑ズ脱莼瘷C(jī)制是怎樣的？行星際塵云都保留著生命誕生和太陽系最初的哪些線索？對太陽系邊界的探測將開啟人類認(rèn)識宇宙的新窗口，答案將在未來逐漸揭曉。

太陽系邊界探測需要哪些技術(shù)

太陽系邊界探測對航天技術(shù)提出了更高要求，需要提升極端環(huán)境下材料、儀器、電子元器件等基礎(chǔ)技術(shù)水平，突破軌道設(shè)計(jì)、新型高效能源與推進(jìn)技術(shù)、超遠(yuǎn)距離測控通信、新型科學(xué)載荷等尖端空間技術(shù)。

太陽系邊界探測距離遙遠(yuǎn)，時(shí)間漫長，一方面需要探測器的能源系統(tǒng)可以保持長期穩(wěn)定工作，另一方面與太陽距離越遠(yuǎn)，探測器可以獲取的太陽能也越少，需要解決極暗條件下的供電問題。

目前核電池是解決能源問題的重要途徑。核電池自主發(fā)電，能量密度高，使用壽命長，現(xiàn)在放射性同位素溫差電源（RTG）發(fā)展比較成熟，使用钚-238作原料，核電池的半衰期長達(dá)88年，旅行者1號、2號的電源壽命都超過40年。核電池的一個(gè)重要方向是發(fā)展空間核反應(yīng)堆電源，比同位素電源功率大、價(jià)格便宜，未來技術(shù)成熟后會整體提升探測器的性能。

探測器飛出數(shù)十億公里仍與地面不斷線，靠的是深空測控通信系統(tǒng)，能夠有效控制探測器的飛行，持續(xù)把珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地球。探測器與地球距離越遠(yuǎn)，通信信號越衰弱，時(shí)延增加，需要設(shè)計(jì)更高效的信道編碼技術(shù)，突破超遠(yuǎn)距離極弱信號捕獲與跟蹤，研制大口徑地面天線組陣和大功率發(fā)射機(jī)，使地球測控能力覆蓋太陽系，有效支持任務(wù)開展。

長期飛行探測也對探測器壽命提出更高要求。地球軌道衛(wèi)星的壽命通常在10～15年，深空探測器要在惡劣的太空環(huán)境中飛行工作數(shù)十年，對使用材料、元器件、系統(tǒng)自主管理和故障診斷處理技術(shù)都提出更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些都需要一步一步解決問題。

太陽系邊界存在很多未知，要求探測器功能多、性能強(qiáng)，裝備先進(jìn)而豐富的科學(xué)載荷，開展多類型多要素探測?？茖W(xué)載荷不僅要在探測精度和范圍、高靈敏度、輕小型化等方面不斷提升，還要盡量降低功耗，壓縮數(shù)據(jù)，確保探測器發(fā)揮最大價(jià)值。

太陽系邊界探測涉及多個(gè)尖端領(lǐng)域的大量技術(shù)難題，將牽引人類航天技術(shù)能力邁上新臺階，實(shí)現(xiàn)科技水平與創(chuàng)新能力的新提升。（作者：楊詩瑞）