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2049年奔向太阳系边际!院士带你“望向深空”

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中国已启动太阳系边际探测工程论证!为什么要探测?有哪些技术难题?国家空间科学中心王赤院士揭开太阳系边际探测的关键科学问题。

撰文/记者 何从 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/房永珍

采访专家:

王 赤(中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任)

4月24日于南京举行的2021年中国航天大会主论坛上,中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤作题为《太阳系边际探测关键科学问题》的报告,报告中透露,中国已经启动太阳系边际探测工程论证工作。

▲中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤(图片来自网络)

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太阳系边缘是什么样的?

太阳系边界离我们有多遥远?太阳系的边界到底在哪里?这是一个难以回答的问题,因为太阳系边界与国界、区域界限不同,在宇宙中并不存在一个明显的固定边界。长期以来,关于太阳系边界问题,科学家也是争论不定。

其实,太阳系边界在哪里与人们的定义有关。以前,科学家把在太阳引力作用下运动的天体,看作太阳系成员,把太阳引力所及的范围视为太阳系边界,冥王星一度被认为是受太阳引力作用的最遥远的第九大行星,所以认为冥王星位于太阳系的边界。

▲太阳系边际物质构成示意图。(图片来源:《太阳系边际探测项目的科学问题》)

后来随着科技进步,发现原来引力可以无限延伸,太阳的引力可以延伸到银河系以外。然而,根据万有引力定律,引力和距离的平方成反比,因此在很大的距离上,太阳引力的实际作用很小。

关于太阳系边际,目前主要有两种定义:一是以太阳风控制范围作为依据,太阳风与星际介质相互作用形成的边界区域,距太阳约为80-150AU(1AU为一个天文单位,相当于一个日地距离,约1.5亿公里)。二是以太阳引力控制范围作为依据,太阳系边际位于奥尔特云附近,距离太阳约为5万-10万AU。

▲太阳系重要天体和奥尔特云示意图。(图片来源:维基百科)

太阳系边际是什么样呢?太阳系的核心,太阳通过光和热辐射向广阔的宇宙空间输送能量。大家冬季用“小太阳”取暖的时候,离它越近,就越觉得热,反之离得较远,热量就明显减少。太阳的光和热也是这样,它们输送到太阳系边缘时已变得十分微弱。所以,太阳系边界既是暗无天日的,又是冷若冰霜的,而且由于与星际空间相邻,除了一些冰冻小天体,物质稀薄到近乎真空的程度。

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为什么要去探测?

既然太阳系边际暗无天日 ,物质还稀薄,干嘛还要去探测它?“对太阳系边际探测能够揭示日球层物理、太阳系演化、恒星际物理等重大科学问题。”中国科学院院士王赤在接受记者采访时说。

据悉,中国已经启动太阳系边际探测工程论证工作,开展太阳风动力学演化及其与星际介质相互作用机制、太阳系演化与外太阳系天体分布特征等相关研究,感知地球家园深空环境,揭秘外太阳系典型天体。

“太阳系边际探测工程将实现无人区探索、日球层全貌、大行星掠影、太阳系考古四大科学目标。”王赤介绍。

在1977年,美国发射的“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器,已陆续飞出日球层边缘,进入星际空间,极大地拓展了人类对太阳系天体、外日球层的认识。但由于它们所携带载荷性能的限制,仍然留下一些悬而未决的重大科学问题。

▲美国旅行者1号探测器。(图片来源:美国公共电视网官网)

“实施太阳系边际探测任务,首先可以对太阳系的大行星及其卫星、小行星、半人马小行星、柯伊伯带天体、彗星等天体进行探测,这对于了解人类家园、构建太阳系演化知识体系至关重要。”王赤表示。

此外,通过对黄道云和柯伊伯带尘云、日球层结构、邻近星际介质特性及其与太阳风的相互作用、等离子体、磁场、中性成分、宇宙线等的探测,也将有助于“考古”,理解太阳系的起源和演化。

据悉,国际上对于太阳系的探测,存在严重的“内外失衡”现象,对于太阳系边际乃至更远的星际空间还缺乏有效的探测手段,一个专门的太阳系边际探测计划,蕴含着巨大的科学价值。

▲人类探测器在太阳系边界飞行位置示意图(截止2020年1月)。(图片来源:ourplant网站)

王赤表示,探测太阳系边际,一是能够在恒星系起源与演化、太阳系外物质组成与特性、日球层太阳风动力学过程等方面,获得重大科学发现;二是有利于推动星载新型高效能源,推进超远距离深空测控通信、深空自主技术等尖端空间技术的跨越式可持续发展;三是可构建中国航天器在太阳系全域到达能力,初步具备恒星际空间探索能力,带动中国科技水平与创新能力的大幅提升。

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中国太阳系边际探测任务起航

在2021年中国航天日上,中国探月工程总设计师吴伟仁宣布,中国的太阳系边际探测任务,已经于去年开始进入实施方案论证阶段,“希望在我们新中国100周年的时候,中国的探测器能够飞到100个天文单位,大概150亿公里的地方,要看看太阳风和宇宙风的平衡点到底是什么样子,实现日球层全貌、大行星掠影、太阳系考古等科学目标。”

受探测器飞行速度的制约,木星、土星等天体间相对位置不断变化的影响,抵达太阳系边际需要约30年的时间。

中国首次太阳系边际探测任务预计将于2025年前后发射,历经漫长路程,抵达150亿公里左右的太阳系边际区域,开展科学探测和在轨试验。从美国等国家的外太阳系探测经验来看,在飞抵太阳系边际的途中,必须提高探测任务的“性价比”,边飞边探,途中择机开展外太阳系行星、小天体等目标的探测工作。

关于中国太阳系边际探测任务目标,吴伟仁在文章《太阳系边际探测研究》中提出设想,预计从三个方面着手。

一是日球层鼻尖方向的探测,探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为银河系中央方位,揭示太阳风和星际风的相互作用、异常宇宙线的产生机制。

二是日球层尾部方向的探测,探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为背离银河系中央的方位,在飞抵太阳系边际的途中择机开展冰巨星、半人马族小天体等多目标探测。

三是日球层极区方向的探测,探测器垂直黄道面、飞行指向天域为太阳极区方位,实现太阳高纬的就位探测及恒星际物质特性探测,开展宇宙线在日球层的全日球循环机理、日球层的外部宇宙物质作用机理等研究。

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探测任务关键技术难题有哪些?

太阳系边际探测是一项极具创新和挑战的系统工程,是当前最困难的深空探测任务之一。

“为尽快抵达目标天域开展科学探测,探测器需以尽可能快的速度飞行,同时也要为保证极暗、极寒条件下,探测器的供电保温和极远距离下的遥测控制工作。”王赤说。此外,由于飞行距离远,任务周期可长达数十年,这对航天探测器的元器件材料、星载系统和深空遥测技术等都提出更高的要求。

未来的中国太阳系探测器长什么样呢?有专家建议将采用国际上成熟同位素发电机作为能源,在推进方式和运载火箭选型的方面有所不同。

▲中国太阳系边界探测器的外形概念图。(图片来源:《太阳系边际探测项目的科学问题》)

尽管困难重重,但随着航天技术的发展,太阳系边际是未来深空探测的重要方向之一,将是继月球、火星及系内其他天体之后,人类认识宇宙的新窗口。“嫦娥”系列、天问一号是中国空间探测的高起点起步,未来中国将有更多航天器被送往太空,探索宇宙和生命的奥秘。

参考资料:

1.中国要去小天体还要去太阳系边际 中青报记者 邱晨辉

2.中科院院士王赤:我国将研制新的科学卫星探索宇宙和太阳系的形成 扬子晚报记者 杨甜子

3.探测太阳系边际,中国有自己的构想 科技日报记者 刘园园

4.太阳系边际探测研究 - 中国科学: 信息科学 作者 吴伟仁

5.太阳系边际探测项目的科学问题 - 深空探测学报 作者:王赤

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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