太空探索：太阳系以外的神奇世界 “旅行者”号为你揭开秘密
太阳系之外的星际空间对于地球上的人类一直是神秘的黑暗真空，其秘密现在终于被首批离开太阳系的人造物体——两艘无畏的宇宙飞船所揭开。
太阳及其行星形成的太阳圈与星际空间的星际物质相碰撞时会产生弓形激波。 太阳系的边缘，远离太阳的保护，似乎是一个寒冷、空旷、黑暗的地方。很长一段时间，人类一直以为，太阳系及离我们最近的恒星之间的这片广阔空间是一个可怕的虚空。 直到最近，太阳系的边缘还是人类只能从远处窥视的神秘太空。天文学家对此往往也是匆匆掠过，宁愿将望远镜对准邻近的恒星、星系和星云等发光的物质上。 但过去几年间，20世纪70年代建造并发射的两艘航天器已飞到了我们称之为星际空间的这个陌生区域，传回的影像让我们首次瞥见这个神秘空间的真面目。作为首批离开太阳系的人类建造物体，两艘航天器正在探索远离地球数十亿英里的未知领域。在此之前还没有任何宇宙飞船飞到如此遥远的太空。 两艘航天器还揭示出，在我们太阳系的边界之外，存在着一个虽然肉眼看不见，但物质却相当活跃、混沌而激荡的区域。 研究太阳系外围区域的新西兰基督城坎特伯雷大学的天文学家米歇尔·班尼斯特（Michele Bannister）说，“观察电磁波谱的不同部分，你会发现，那部分空间与我们肉眼看到的黑暗大不相同。在这里，电磁现象相互作用，相互推动，相互纠缠激荡，非常活跃。你可以想象一下尼亚加拉瀑布急冲而下形成的湍急河水。” 超新星爆炸所产生的宇宙射线四面八方喷射到星际空间。 但与尼亚加拉大瀑布下奔涌翻滚的水不同，太阳系外圈的湍流是太阳风的结果。所谓太阳风，是太阳持续喷射到太阳外围的超高速带电粒子流，或称等离子流，在到达太阳系边缘时会减速崩溃，混合到在星系间流动的气体、尘埃和宇宙射线，即所谓“星际介质”之中。 在过去的一百年，主要依靠射电望远镜和X射线望远镜的观察，科学家们已经勾画了一幅关于星际介质的组成图片，揭示了星际介质是由极度分散的电离氢原子、宇宙尘和宇宙射线，以及密度很大的星际分子云所组成。分子云是新的恒星诞生之所。我们的太阳系就是45亿年前一个巨大的分子云坍塌形成。 但在我们太阳系之外的星际介质的确切性质在很大程度上一直是个谜，主要是因为整个太阳系，即太阳及其八大行星，和一个称为柯伊伯带的极其遥远的微型天体密集圆盘状区域，都被包裹在一个巨大的由太阳风形成的保护泡中，这个如同气球一样的泡泡被称为太阳圈（heliosphere，也翻译为日球层）。当太阳带着其行星在银河系快速运动时，这个太阳风形成的大气泡就像一块无形的盾牌一样抵挡着星际介质，把大多数有害的宇宙射线和其他物质挡在了太阳系外面，保护了地球的生命。 但太阳圈（日球层）救命的特性也让研究这个气泡之外的星际空间变得更加困难。甚至从我们所处的太阳系内部也很难确定太阳圈的大小和形状。 约翰‧霍普金斯大学应用物理实验室的博士后研究员艾伦娜‧普洛沃尼科娃（Elena Provornikova）说，“这就像你在自己的家里，想知道房子是什么样子，必须到外面去看一看，才能真正判断出来。要知道太阳圈到底是什么样，唯一方法是走出太阳系，然后回头看，要从太阳圈之外去拍摄它的图像。” 这可不是一项简单的任务。与整个银河系相比，我们的太阳系就像比漂浮在太平洋中央的一粒米还要小的东西。然而，太阳圈（日球层）的外边缘仍然是非常的遥远，以至于两艘航天器“旅行者1号”和“旅行者2号”从地球起飞后，花了40多年时间才到达这里。 以较直的路线穿过太阳系的旅行者1号在2012年率先进入星际空间，接着旅行者2号在2018年也进入星际空间。目前，两个航天器分别离地球约130亿英里和110亿英里，还在继续向外飞离，进入离太阳系更远的外太空。两艘航天器在飞离太阳系之同时，也发回地球更多数据。（要想知道旅行者号更多信息，请阅读BBC文章《旅行者号：人类最伟大的太空任务》。英文链接） 如一辆汽车大小的两艘旅行者号航天器在1977年发射升空，现正从远离太阳系的星际空间向地球发回探测数据。 这两个已经“年逾不惑”的太空探测器揭示了太阳圈和星际介质之间的边界的真面貌，这为我们了解太阳系是如何形成的以及地球上生命何以能够存在提供了新的线索。实际上，我们太阳系的边缘并不是一个清晰的边界，而是搅动着旋转的磁场、碰撞的恒星风暴、高能粒子风暴和旋转辐射的活跃混沌带。 太阳圈气泡的大小和形状会随着太阳风输出的变化而改变，也会随着太阳系穿越星际介质的不同区域而改变。当太阳风上升或下降时，也会改变太阳圈气泡所受到的外在压力。 2014年，太阳的活动激增，生成了一场席卷行星际空间的太阳风暴。风暴以每秒800公里的速度首先冲击水星和金星。两天之后，穿越1亿5千万公里，太阳风暴包围了地球，但很幸运的是，我们地球的磁场能够阻挡太阳风，保护地球生命免受太阳风的强大辐射破坏。 一天后，这波强大的太阳风暴从火星呼啸而过，穿过小行星带，朝着遥远的气态巨行星（木星、土星、天王星）而去。两个多月后，又扑向海王星，海王星的轨道距离太阳近45亿公里。 经过6个多月的时间，这股太阳风暴终于到达了距离太阳130多亿公里，被称为“终端激波”的空间。在这里，推动太阳风的太阳磁场已变得很微弱，以至于星际介质的压力与太阳风相互作用，使得风暴速度减缓。 到达终端激波带的太阳风暴速度减慢到不及之前的一半，犹如大西洋飓风减弱为热带风暴。2015年底，这场太阳风暴追上了体积如一辆小型汽车、形状不规则的旅行者2号。旅行者2号中由缓慢衰变的钚电池驱动、“高龄”四旬的感应器勘测到了这场太阳风暴，发现太阳风等离子体量暴增。 然后探测器将数据传回地球，即使是以光速传输，也要花18个小时才能到达地球。天文学家之所以能收到旅行者号的信息，多亏了巨大的70米高的碟形卫星阵列和先进的技术，这些技术在旅行者号1977年离开地球时是还是无法想象的，更不用说发明了。 太阳不断向外抛射称为太阳风的高能粒子流。太阳风会因太阳活动的强弱而加剧或放缓。 这场太阳风暴与旅行者2号相遇时，这个太空探测器还在我们的太阳系中。一年多后，太阳风暴最后的垂死余风也追上了早在2012年已进入星际空间的旅行者1号。 这两个太空探测器穿越太阳系走的是不同路线，一个位于太阳系黄道平面上方30度的方向，另一个则位于黄道下方30度。2014年爆发的这场太阳风暴在不同的时间及不同的区域与两个旅行者号前后相遇，这为研究太阳风层顶（heliopause，也翻译为日球层顶，即太阳风遭遇星际介质而停滞的边界）的性质提供了有用的线索。 旅行者号传回的数据显示，这个称为太阳风层顶的湍流边界有几百万公里厚，覆盖着表面积达数十亿平方公里的太阳圈（日球层）。 太阳圈（日球层）也大得出乎意料，这表明银河系这部分的星际介质密度比人们想象的要低。太阳在银河系的星际空间中运行时会切割出一条路径，就像一艘船在水中航行留下一个“弓形波浪”一样，在它后面也形成一个尾迹，可能带有一个或多个类似于彗星形状的尾巴。两艘旅行者号都是从太阳圈气泡的“鼻子”处起飞，因此没有提供任何太阳圈尾巴的数据。 普洛沃尼科娃说，“根据旅行者号的数据估计，太阳风层顶大约有一个天文单位厚。但这不是太阳圈真的表面。这是一个有着复杂活动的区域。我们不知道那里发生了什么。”一个天文单位代表地球和太阳之间的平均距离，为9300万英里。 在这个太阳系和星际空间之间的边界区域，不仅有太阳风和星际风（interstellar wind，来自星际空间的粒子流）相互冲撞拉扯产生的湍流，而且太阳风和星际介质的粒子似乎还会交换电荷和动量。结果，部分星际介质会转化为太阳风，从而能增加太阳圈气泡向外的推力。 虽然一场太阳风暴可以提供有趣的数据，但令人吃惊的是，太阳风暴似乎对太阳圈气泡的总体大小和形状的影响却很小。看来，圈外发生的事情比圈内发生的事情对太阳圈的影响要重要得多。太阳风随时间的增强减弱都不会对太阳圈气泡产生明显的影响。但如果太阳圈气泡进入银河系某区域，则所遇的星际风密度的大小会影响太阳圈增大或是缩小。 但是有关包围和保护着我们太阳系的太阳圈气泡，至今仍然有很多问题还未得到解答，例如这个由太阳风形成的气泡是宇宙中特别之现象还是一种模式。 当太阳系在银河系中的星际介质中运行时，包裹太阳系的太阳圈气泡会形成一条长长的尾巴 普洛沃尼科娃说，增加对太阳圈的了解，就会增加对人类在宇宙中是否为孤独的智慧生命这一问题的认识。 她说，“对自己所在星系所做的研究将告诉我们，其他恒星系统中生命发展会需要什么条件。” 这在很大程度上是因为太阳风阻挡星际介质进入太阳系，也阻止了来自太空深处威胁地球生命的辐射和致命的高能粒子（如宇宙射线）的撞击。宇宙射线是来自太空，接近光速的带电高能次原子粒子。当发生恒星爆炸、星系坍缩成黑洞以及其他灾难性的宇宙事件时，就会产生宇宙射线。在我们太阳系之外的星际空间充满了不断喷射的高速次原子粒子，对一个缺乏保护的星球，其威力將造成致命的辐射破坏。 普林斯顿大学太阳物理学研究员、也是第一个根据旅行者号收集的星际数据撰写博士论文的科学家杰米·兰金（Jamie Rankin）说，“旅行者号数据明确地告诉我们，其中90%的宇宙辐射被太阳过滤掉了。如果没有太阳风的保护，我不知道我们人类是否还能生存。” 美国太空总署（Nasa）另外三个太空探测器很快将进入星际空间，加入旅行者号的行列，不过其中两个探测器因为已经耗尽了能量，不再传送数据回地球。在太阳圈的巨大边界上，这些微小的点只能提供有限的信息。幸运的是，更广泛的观察可以在离我们地球之家较近的空间进行。 太空总署2008年发射一枚绕地球运行的微型卫星“星际边界探测器”（Ibex），用来绘制太阳圈与星际空间相接的边界图。Ibex探测到从星际边界喷射而来被称为“高能中性原子”的粒子带。 Ibex探测到一条高能中性原子带被星系磁场从太阳圈边缘反射回太阳系。 兰金说，“你可以把Ibex测绘想象成某种测量恒星视向速度的‘多普勒雷达’，而旅行者号就像地面气象站。”兰金使用来自旅行者号、Ibex和其他方面的数据来分析较小规模的太阳风暴。她目前正在根据2014年开始的太阳风暴数据撰写一篇论文。已经有证据表明，旅行者1号越过太阳圈边界时，太阳圈正在缩小，但旅行者2号越过边界之时，太阳圈却在扩大。 她说，“这是一个相当动态的边界。Ibex的3D图竟捕捉到这一发现，实在了不起，这让我们能够同时追踪到事件发生时旅行者号当场的反应。” Ibex揭示了太阳圈边界究竟有多活跃。Ibex第一年发现了一条巨大的高能中性原子带蜿蜒穿过太阳圈边界，这个中性原子带会随时间变化，在短短6个月时间一些特征会出现和消失。这条带状区域位于太阳圈层顶的前端，在这里太阳风粒子会被星系磁场反射回太阳系。 旅行者2号飞离太阳系时测量到宇宙射线的暴增。太阳圈气泡挡住了宇宙射线进入太阳系，从而保护了地球的生命。 但是旅行者号的长征故事还很漫长。虽然两个航天探测器已经离开了太阳圈（日球层），但仍然在太阳的势力范围之中。例如，用肉眼仍能够看到太阳的光，认得出太阳。而且我们太阳的引力也远远超出了太阳圈，能够拉住一个由冰、尘埃和太空碎片组成的非常稀疏而巨大的球体云团。这个云状天体称为奥尔特云。 尽管漂浮在遥远的星际空间，奥尔特云中的物质仍然围绕太阳运行。虽然太阳系一些彗星即来自奥尔特云，但发射探测器到3千亿到 1万5千亿公里的奥尔特云，也实在是太遥远了。 这些极其遥远的天体，自从太阳系形成以来就几乎没有改变过，它们可能掌握着行星如何形成，以及生命为何能够在我们的宇宙中出现等这一切问题的解答之钥。随着每一波新数据的出现，也随之出现新的谜团和问题。 旅行者1号2012年进入了星际空间，离开太阳已100个天文单位，但还要飞300年才能抵达巨大无比的奥尔特云。 普洛沃尼科娃说，可能有一层氢气覆盖了部分或全部的太阳圈，其对太阳圈的作用尚未被破译。此外，太阳圈似乎正在穿越银河系中一个由远古宇宙事件遗留下来的粒子和尘埃组成的星际云团，即天文学所谓的本星际云团。本星际云团对太阳圈边界，以及生活在其中的我们地球生命有何影响，也仍然有待研究。 普洛沃尼科娃说说，本星际云团“可以改变太阳圈的大小和形状。它可能有不同的温度，不同的磁场，不同的电离体和所有这些不同的参数。这令人非常兴奋，因为这是一个未知数很多的领域，而我们对太阳和本星系（即银河系）之间的相互作用还知之甚少。” 但无论怎样，这两辆体积宛如小汽车、由金属螺栓连接在小型抛物面天线上的旅行者号探测勇士，在我们探索太空的旅程中，将为我们的太阳系充当先锋，率先勇敢闯入一个陌生而未知的太空领域，揭示其秘密。