[科普中国]-旅行者2号星际穿越发现哪些新鲜事

当我们用力将空气吹入气球时，气球便在气球内外压强差的作用下向外膨胀。而当我们吹好气球、将口扎紧时，气球内外压强的平衡使得气球总能保持圆滚滚的形状。在太空之中，太阳也用太阳风体吹起了这样一个“气球”，而星际物质的存在则使得这个“气球”拥有了特别的大小与形状，科学家们将这个气球称为“日球层”。而太阳风与星际物质相交会的地方，则被称为“日球层顶”。来自太阳系内部的飞行器，一旦越过日球层顶，就脱离了太阳风所能影响的空间范围，进入了“星际穿越”的新旅程中。

日球层大致结构示意图，图中Heliosphere为”日球层“，Heliopause为”日球层顶“，Termination Shock 为”终止激波“，Heliosheath为”日球鞘层“，Voyeger 1和Voyager 2分别为“旅行者1号”和“ 旅行者2号”。（图片来源：NASA）

太阳带领整个太阳系在银河系中运动，在与星际物质迎面相遇的那一侧，日球层顶距离太阳的距离约为一 百多个天文单位（AU），也就是地球与太阳之间距离的100多倍（1天文单位=日地平均距离）。作为人类目前飞的最远的探测器，美国于1977年发射的旅行者1号与旅行者2号，在2012年8月和2018年11 月分别完成了日球层顶的穿越。旅行者1号在地球轨道面（黄道面）以北的位置穿越日球层顶，穿越时与太阳的距离为121.7天文单位。旅 行者2号则从黄道面以南穿越日球层顶，穿越时距离太阳119.0天文单位。由于旅行者2号上的等离子体谱 仪（PLS）依然能够正常工作，并没有像旅行者1号的PLS一样在上世纪八十年代就宣告罢工，科学家们对 旅行者2号的星际穿越能够带来的科学发现寄予了更大的期望。

本次公布的观测结果中，所发现的日球层顶附近的丰富而复杂的结构。（图片来源：文献[1]）

北京时间2019年11月5日0点，《自然·天文》期刊在线发表了五篇论文，从不同的方面介绍了旅行者2号 和旅行者1号在星际空间中看到的新鲜事。通过这两个探测器的观测，科学家们发现，太阳风和星际物质 的相互作用使得日球层顶附近出现了丰富而复杂的相互作用结构。在回答原有问题的同时，这些探测结果 也为未来的日球层边际探测提出了更多新的问题，有待我们研制发射更多的探测器去回答。

星际穿越新鲜事

旅行者1号等离子体谱仪的罢工，科学家们不得不采用另一种方式来推测它所在位置的电子密度。无论是 太阳风和还是星际物质，都是由一种叫做等离子体的物质形态构成的。在等离子体中，已经被电离的电子 和离子与电磁场高度耦合，电磁场的波动频率可以反映等离子体的电子密度等性质。在旅行者1号上，测 量等离子体中电磁场波动的仪器仍然在工作。一旦从太阳喷薄而出的爆发，经过漫长的传播到达旅行者1 号飞船附近，在旅行者1号所在的位置产生比较明显的电磁波动，科学家们就能够利用这宝贵的机会，计 算出旅行者1号附近的等离子体密度。帮助科学家们确认旅行者1号已经处于星际空间的，就是2012年发生 的一次爆发。

旅行者号探测器外观。（图片来源：NASA）

在本次发表的有关等离子体密度观测的论文中，科学家们发现用电磁场波动推测电子密度的测量方法是靠 谱的。从旅行者2号的观测数据来看，由等离子体谱仪直接测量的电子密度和用电磁波波动推测的电子密 度基本一致。同时，旅行者2号与旅行者1号探测到的紧邻日球层顶的星际物质密度也基本相同，进一步证 实了跨过日球层顶，密度将跃升20-50倍的理论计算结果。

利用几次爆发事件获得的探测机会而获得的旅行者1号所在位置的密度情况。（图片来源：文献[2]）

利用旅行者1号穿越日球层顶、来到星际空间之后又遇到的几次探测机会，科学家们发现旅行者一号探测 到的密度越来越大，正在翻越一座星际物质的“山峰”。这座“山峰”是处于日球层外部的一个边界层， 目前的一种观点认为它可能是星际物质在日球层顶附近遇到阻碍、无法前进后堆积而成的，而旅行者1号 现在刚好爬上了这座山峰的峰顶。能否如理论预测的一样在未来“下山“，以及旅行者2号是否会爬上这 座“山峰”，就有待进一步观测的证实了。有趣的是，25年前，两艘旅行者号上的射电观测设备就曾经通 过遥感观测的方式发现过这个边界层的存在。而25年后，她们终于走到了那里，亲自爬上了这座她们曾经 “远眺”过的“山峰”。

旅行者2号发现的“磁场屏障”（Magnetic barrier），可见在穿过磁场屏障后、进入星际空间后，子图d中所示的高能银河宇宙线通量发生了显著增加。（参考来源：文献[3]）

由于失去了一部分大气层的保护，经常坐飞机的旅客可能要受到更多的银河宇宙线的辐射。但是，除了成 天要待在天上的空乘人员需要对此进行留意外，旅客们在一般情况下不用担心银河宇宙线的辐射剂量会带 来什么风险，因为我们日球层就是银河宇宙线的另一个屏障。在关于日球层顶附近磁场观测的论文中，通 过旅行者2号的探测数据，科学家们似乎发现了到底是什么结构将宇宙线挡在了日球层之外。从日球层内 到日球层外，磁场强度如科学家们预想的那样出现了约4-5倍的增加，而这个变化是通过一个过渡区域逐 渐发生的。在穿过这个区域时，银河宇宙线的强度也发生了较大的增加。科学家们将这个过渡区域成为“ 磁场屏障”，正是这个屏障阻挡了能量较高的银河宇宙线进入日球层当中。科学家们推测，磁场屏障有可 能是日球层内外的磁场通过磁重联等相互作用，形成的一个复杂的动力学系统。此外，旅行者1号穿越日 球层顶时，探测到了出乎科学家们意料的一个情况：磁场方向在日球层内外没有发生太大的变化。旅行者2号的观测进一步证实了这个情况。探究这个现象背后的原因，这使得相关领域的学者们又有很多 工作可以做了。

旅行者1号（红线）在穿越日球层顶前所观测到的两次银河宇宙线增强事件，分别位于Day280 和Day 300。蓝线为旅行者2号观测数据。旅行者1号的数据在时间上向后平移6.2年以方便与旅行者2号数据对齐。

（参考来源：文献[4] ）

实际上，“磁场屏障”可能也并非铁板一块，在另一篇专门讨论宇宙线观测论文中，科学家们展示了旅行 者1号在日球层内部所遇到的两次银河宇宙线增强事件。如同心跳的脉冲一样，这两次增强呈现的都是偶 发性的短时快速变化。旅行者2号在日球层内没有遇到这样的事件，但其在日球层外观测到的宇宙线特性 ，与旅行者1号在日球层内所遇到的这两次增强事件中，宇宙线所呈现的性质一致。这说明，宇宙线可能 通过什么机制穿透了磁场屏障，可以短时少量的入侵到了日球层内部。

在日球层内部接近日球层顶的位置上，旅行者2号能够正常工作的等离子体谱仪，让科学家们发现了两个 边界层。第一个边界层比较靠内，厚度也相对较大，有1.5个天文单位。从太阳表面一路奔驰到日球层顶 附近的等离子体，在这个边界层中的密度和温度开始增大。在紧靠日球层顶的地方，另一个厚度只有0.06 天文单位的边界层中，等离子体远离太阳的速度呈现降低的态势。这与旅行者1号观测到的情况有所不同 。旅行者1号观测到了等离子体在到达日球层顶之前就停滞了的现象，而旅行者2号观测到的则是在第二个 边界层之前都持续保持昂扬向前姿态的等离子体。

更多问题有待揭示

本次公布的结果再次表明，日球层顶并非像气球的外皮一样，是日球层与星际物质的简单分隔。无论是在 星际空间还是在日球层内，在靠近日球层顶的地方都存在着复杂的相互作用过程和动力学结构。同时，虽然旅行者1号和旅行者2号兵分两路，分别对黄道面以南和以北的日球层顶结构进行了探测，但这 对于勾勒出日球层的完整结构还远远不够。例如，两艘探测器所穿越日球层顶的方向，都是日球层与星际 物质迎面相遇的那一侧。而在另一侧，日球层顶到底呈现怎样的形态，则尚无定论。有学者认为，如果星 际物质中的磁场占主导地位，那么整个日球层将呈现出椭球状的形状。反之，如果是星际物质的动能或内 能占优，则日球层顶的另一侧很可能会像彗星一样，拉出长长的尾巴。

此外，由于为两艘旅行者号探测器供电的同位素电池的电量已经近乎衰竭，科学家们可能在明年就不得不 关闭所有的科学仪器，无法再产生新的科学探测数据。而到了2025年，电池输出的电能已经无法支撑旅行 者号飞船最基本的运行和通信。那时，我们将不得不中断与两搜探测器的联系，再也听不到这两艘已经离 家几十年的孩子在星际空间中向地球家园的呼喊。

旅行者号40周年纪念海报。（图片来源：NASA）

除了到日球层顶顶进行实地探测外，科学们也能通过遥感探测来探索日球层顶的秘密。目前正在地球附近 工作的NASA"星际边界探测器"(IBEX)通过收集不同能级的高能中子来对日球层进行成像观测，这些高能中 子产生于太阳风和星际物质在日球层边界上的相互作用。通过记录不同方向上射来的高能中子的通量差异 ，IBEX的数据能够使科学家们了解不同方向上太阳风与星际物质相互作用的强烈程度。然而，遥感探测与 实地探测能够互相配合和促进，却不能彼此替代。我们仍然需要派遣更多的“探测队员”，才能更好的了 解日球层的性质。这不但可以增进我们对所处的太阳系的了解，所得到的结论还能进一步推广到我们无法 实地探测的宇宙中其他天体系统中。在旅行者1号、2号之后，尚无明确的日球层顶探测计划。造访过冥王 星的NASA新视野号，搭载的仪器并非为日球层顶探测量身打造，目前也尚不清楚其探测器寿命和运行资金 能否支持她继续进行日球层顶的扩展探测。

IBEX数据绘制的高能通量分布图。（图片来源NASA ）

今年年初，《中国科学·信息科学》期刊刊登了我国学者对太阳系边际探测的设想与计划。这些学者中既 有来自航天工业部门各个单位的工程师学者，又有来自北京大学、中科院等单位从事空间科学基础研究的 学者。在这篇论文中，我国学者将太阳系边际探测的目标划分为100天文单位的近期目标和1000天文单位 的远期目标，分别设想在2049年前后和本世纪末实现。在近期目标的探测中，他们提出了日球层鼻尖、日 球层鼻尖反向和日球层极区这三个探测方向，而这三个方向既是两艘旅行者号飞船尚未探测的盲区，又是 建立起日球层完整图像的关键区域。当然，宏伟的目标还需要突破提一系列关键技术，让探测器能够寿命 长、飞的快、省燃料，与地球的通信不断线，运行中的小问题能够自主解决，探测到的科学数据精确可靠 。

在两艘旅行者号飞船发射时，我国才刚刚拥有了发射卫星的技术，国家的技术实力和综合国力也远达不到 支撑这种复杂深空任务的程度。而在今天，随着嫦娥探月工程和火星探测工程等诸多深空探测任务的开展 ，去往星际空间，应该是通过我们努力就可以有所作为的事情。

我国学者提出的基于核反应堆的探测器构型图。（图片来源：文献[7]）

有关文献：

[1] Strauss, R. D. T. Voyager 2 enters interstellar space. Nature Astronomy (2019)

[2] Gurnett, D. A. and Kurth W. S. Plasma densities near and beyond the heliopause from the

Voyager 1 and 2 plasma wave instruments. Nature Astronomy (2019)

[3] Burlaga, L. F. et al. Magnetic field and particle measurements made by Voyager 2 at and

near the heliopause. Nature Astronomy (2019)

[4] Stone, E.C. et al. Cosmic ray measurements from Voyager 2 as it crossed into

interstellar space. Nature Astronomy (2019)

[5] Richardson, J. D. et al. Voyager 2 plasma observations of the heliopause and

interstellar medium. Nature Astronomy (2019)

[6] Krimigis, S. M. et al. Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the

heliopause and beyond. Nature Astronomy (2019)

[7] 吴伟仁 等，太阳系边际探测研究，中国科学：信息科学（2019)，49（01）：1-16