进入星际空间，旅行者2号的故事还没有讲完

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来源：科学大院微信公众号

　　在NASA的喷气动力实验室，你也许会看到一些让人匪夷所思的场景：一些拥有美国顶尖高校学位、掌握着最前沿航天技术的科学家和工程师们，正在绞尽脑汁的维护着一台上世纪70年代出厂的老爷机器。在这个4G和WIFI已经普及的时代，他们依然在顽强地使用只有4G通信十万分之一的带宽，与这台机龄已达41年的老爷机保持着联络，并试图从老爷机传回的数据中找出一些能发表在Nature和Science上的发现。而这台老爷机之所以让科技人员们如此倾情，只因它已经飞行到了距离地球178亿公里的地方，突破了太阳风所能影响的范围，进入到了星际空间之中。在那里，它看到了人类之前从未看到的景象。

　　它的名字名叫旅行者2号，它的故事开始于1977年8月20日，并永远不会结束。

（旅行者2号探测器）

　　在那里，太阳风与星际物质相遇

　　我们肉眼所能感受到的太阳的光芒大都来自于太阳的光球层，天文学家们一般将这里视为太阳的表面。而在太阳表面之上，磁场所贮存的能量被源源不断的转化到由带电的离子和电子组成的等离子体中，将等离子体从数千度加热到数百万度的高温。在高温的作用下，等离子体向外膨胀，裹挟着太阳磁场向遥远的太空中奔去。除了与地球等行星相遇时，会与行星发生相互作用外，在大部分空间中，这些等离子体都会无拘无束的以近乎不变的速度继续他们的旅行。由于这种现象与我们日常生活中时常能感受到的风有些类似，因此空间物理学家们给这些等离子体取了一个形象的名字，叫“太阳风”。

（太阳风吹拂日球层的示意图）

　　随着与太阳距离的增加，虽然太阳风的速度不会发生太大的变化，但太阳风的密度却会越来越低。在冥王星的轨道以外，它们的动压已不足以支撑他们克服在宇宙空间中广泛存在的星际物质的阻碍，不得不停下自己的脚步。但这和开车时司机遇到红灯便踩下刹车、平稳减速停车的过程不同，以超音速奔驰的太阳风无法将前面所遇到的阻碍信息“传递“给随后涌来的太阳风，与恒星物质的相遇更像是一次大雾天气中的”车祸“，接踵而至的太阳风等离子体不断碰撞压缩前方已经减速的等离子体，形成了一道”终止激波“。在经过终止激波之后的过渡后，太阳风等离子体最终与星际物质交会。在天文学中，将地球与太阳之间的平均距离定义为一个天文单位（1AU），1AU约为一亿五千万公里。当旅行者1号和旅行者2号穿越终止激波时，测量到终止激波与太阳的距离分别为94AU和76AU。

　　太阳风所能影响的空间范围，被空间物理学家们称为“日球层”，而太阳风与星际物质相会的地方，则被称为“日球层顶”。

（日球层整体结构示意图。图中的Termination Shock为终止激波，Heliopause为日球层顶，Bow Wave 为星际物质撞击日球层形成的弓形波。）

　　在人类能够发射航天器之前，科学家们就已经在恒星等天体的光谱信息中，找到了星际物质的蛛丝马迹。在美国物理学家尤金·帕克教授最先提出太阳风理论时，星际物质的密度和压强观测证据是他否定静止日冕理论，并排除自己物理模型几种不合理之处的关键证据。今年8月，NASA发射了以尤金·帕克命名的帕克太阳探测器，试图通过靠近太阳进行实地探测的办法了断关于日冕加热和太阳风加速的诸多争议。而在太阳风传播的尽头，虽然科学家们通过遥感数据和计算机数值模拟，已经对终止激波、日球层顶及其间的日球层鞘，以及星际物质的性质有了一定认识，但终究也需要去那里进行实地探测，才能证实或证伪关于那里的一些假说和猜测，获得更深入的认识。

　　2012年8月，旅行者1号在距离太阳121AU的地方完成了穿越日球层顶的壮举，进入星际空间。而NASA在在本周宣布，在刚刚过去的11月5日，旅行者2号也成功穿过了日球层顶，并将带来比旅行者1号更让科学家们激动的探测数据。

　　在那里，它感受到了风的变化

　　在旅行者1号和2号上，均装配了用来测量太阳风粒子的等离子体谱仪（PLS），当这种谱仪测到的太阳风粒子通量密度明显的降低时，便说明旅行者号飞船不再受到太阳风吹拂，基本可以证实它们已经处在了星际空间中。

　　然而，旅行者1号的PLS早在1980年便已经罢工了。当旅行者1号在2012年进入星际空间时，科学家们颇费了一番周折，才在太阳的助攻下确认了旅行者1号的成功。2012年3月，太阳爆发了一次强烈的日冕物质抛射。13个月之后，这次爆发传播到了旅行者号飞船所在的位置，旅行者1号上还能工作的等离子体波动探测仪器记录下了这次爆发所带来的波动。通过波动数据，科学家们间接推测出了旅行者1号所在位置的电子密度，发现电子密度的值与星际物质的特征一致，与太阳风则相差几个量级。由此，科学家们才确定旅行者1号已经进入了星际空间。当旅行者号团队对之前的数据重新分析后，发现一些相对微弱的波动。这些波动表明，旅行者1号早在2012年8月就已经进入了星际空间。

　　而旅行者2号的PLS至今仍在正常工作。今年11月5日，在旅行者2号传回的太阳风数据中，出现了粒子密度的突然下降。也就是说，在180亿公里之外，旅行者2号感受到身边吹拂的太阳风突然消失了，它进入了一片全新的世界中。科学家们由此确认，旅行者2号已经穿过日球层顶，进入星际空间中。

（旅行者2号穿越日球层顶时的探测数据。上半部分的曲线为银河宇宙线强度，下半部分的曲线为太阳风粒子的流量密度。当太阳风粒子的流量密度降低而银河宇宙线强度增加时，科学家们确认旅行者2号已经离开日球层，进入星际空间。）

　　除了太阳风粒子的密度数据外，旅行者2号所探测到的银河宇宙线通量的增加也进一步证实了它已处于星际空间的事实。银河宇宙线是来自于太阳系以外的高能辐射。由于日球层的屏蔽作用，只有一部分银河宇宙线可以传播到日球层之内。同时，日球层内的宇宙线强度也受太阳活动调节。当太阳活动较强时，就能更多的将宇宙线屏蔽在日球层以外，使地球上接收到的宇宙线辐射通量减少。而在日球层之外，宇宙线的通量就会变得相对更强。

　　在那里，它们将长久的注视着我们

（旅行者1号和2号从不同方向飞出了日球层，旅行者1号位于黄道面以北，旅行者2号位于黄道面以南。）

　　在旅行者计划中，旅行者2号本来承担着为旅行者1号充当备胎的任务。一旦旅行者1号未能成功地对土星和木星进行探测，旅行者2号将接手旅行者1号未完成的任务，对土星和木星进行精细探测，而放弃之后造访天王星和海王星的安排。令人欣慰的是，在四十多年的慢慢长路中，两艘探测器都基本完成了各自的任务，对土星、木星、天王星、海王星及其卫星系统进行了细致观测。透过它们传回的图片，我们不但获得了更多的科学知识，更一次次被太空的魅力所折服。在两艘飞船从太阳黄道面以北和以南相继进入星际介质后，当初的“双保险”策略最终得到了回报。两艘旅行者号飞船上虽然都有一些仪器不能正常工作，但两者的探测数据相互补充后还能能够得到全部物理参数的探测数据，使人类第一次有机会实地探寻日球层及星际介质的秘密。

（旅行者1号、2号和它探索过的大行星际部分卫星的拼图）

　　对于两艘飞船是否已经飞出了太阳系，不同的学者可能会持不同的看法。目前主流的观点认为，太阳系的边界位于距离太阳约2光年（10万AU）的奥尔特云。虽然没有直接的探测证据，但间或造访太阳系内部的长周期彗星使科学家们推断，奥尔特云是这些彗星的发源地。由于奥尔特云依然受到太阳引力的作用，因此这里被一些学者当作太阳系引力和结构上的边缘。在NASA发布的新闻稿中，也谨慎地说“太阳系的边界被认为处于奥尔特云的外缘”。

　　然而，并非所有的学者都认同这个观点。有的学者认为，从另一个角度讲，太阳的光和引力理论上可以延伸到无穷远初，但太阳系显然不能保罗全部的宇宙，因此也有人认为日球层顶标志着太阳风影响的终结，跨入星际物质后就已经办妥了从太阳系的“出境”手续。

　　太阳系是一个人为划定的范围，它的边界定到哪里既不会改变我们对宇宙中客观规律的看法，也不会引起法律和物权上的纠纷（谁会把某个天体当标的物呢？）。那些已经见证了数十亿年变化的天体，也不会因为地球上一个只存在了数百万年的物种的认识，而改变自己的运行。因此，两种说法无所谓谁对谁错，读者大可挑一个自己喜欢的。

（旅行者号金唱盘的表面用宇宙中的脉冲星作为路标，给出了地球在太空中的位置。如果地外文明与我们的天文学研究水平相当，应该可以从中解读出含义，并以此为导航来地球做客。）

　　和用了太久的手机电池就会供电不足一样，为旅行者号飞船供电的同位素热电池的输出功率正以每年4W的速度衰减。到2020年，飞船将不得不关闭所有的科学探测仪器，用仅有的供电维持飞船与地球的通信。2025年左右，飞船的通信系统也将因为供电不足而停止工作。那时，我们将再也听不到这两个已经离家将近50年的孩子在星际空间中向地球母亲发出的呼喊。

（旅行者号飞船金唱盘中的牛顿手稿。我们能够飞行器的轨道全仰仗牛顿的开创性发现与工作，因此当旅行者号将人类探索的领域不断向前推进时，牛顿的智慧也在熠熠生辉。）

　　然而，它们的故事并没有就此结束，两艘旅行者号飞船还有另一个使命要完成。在两艘飞船上，安装了介绍地球的金唱盘，希望有朝一日能有地外文明发现飞船并解码金唱盘。在金唱盘中，我们向宇宙中的其他文明发出了充满友爱的诚挚邀请，其中中文普通话的语音内容为：

　　“各位都好吧？我们都很想念你们，有空请到这来玩。”

　　我们还展示了我们在科学、建筑、航天、医学、艺术、交通等各个领域取得的成就，不同国家的经典音乐，甚至买菜、上班、母亲哺乳这些琐碎的生活场景。我们还录下了恋人相爱时的脑电波，试图让其他文明了解“爱”这种连接人与人心灵的感情。

　　正如时任美国总统卡特在金唱片中的留言所说：

　　“我们试图在我们的时光中生活下去，由此，我们可能生活在你们的时光中。希望某天，我们能解决我们目前所面临的问题，并组成一个银河系的文明共同体。这张唱盘代表着我们在令人敬畏的浩瀚宇宙中的希望、决心与善意。”

　　然而，在金唱盘中，并没有记录下我们世界的另一面——战争、侵略、欺骗、纷争等等。有朝一日，当两艘旅行者号作为人类文明的使者，将金唱盘送到另一个文明手中时，我们是否已经消除了我们世界中没有那么美好的部分，我们是否像我们向茫茫宇宙所宣誓的那样，解决了我们自己的种种问题？

　　在远离地球的星际空间，在时间的慢慢长河中，旅行者号将长久的注视着我们。

（旅行者号40周年纪念海报）

　　作者单位：哈尔滨工业大学（深圳）