飛向太陽系

我們從軌道計算說起吧。在天文學中有一個叫作天體力學的分支學科，是專門研究天體運行軌道的。運用天體力學計算外行星軌道時發現，在20世紀70－80年代，木星、土星、天王星、海王星等4顆外行星的幾何位置有利于飛船觀測。只要飛船在一個特別的軌道上飛行，接近每一顆行星后增加飛行速度，使軌道彎曲，讓飛船航向指向第二顆行星，就能在一次飛行中觀測4顆大行星。這個方法被稱為“引力援助”技術。利用這項技術，就可以用最少的推進劑和旅行時間觀測4顆大行星，從而把飛往海王星的時間從30年減少到12年。利用引力援助技術，軌道設計是關鍵。為了利用引力援助技術研究木星、土星、木星衛星“伊奧”、土星衛星“提坦”、天王星和海王星，科學家設計了1萬多個飛行軌道。“旅行者－2號”采用的正是其中的一個。

一艘飛船飛近幾顆大行星需采用引力援助技術，那么飛往一顆大行星的情況又怎么樣呢?根據天體力學知識，任何飛行器一旦進入軌道，就由牛頓定律編制的樊籠緊緊罩住，即只準在科學家設置好的軌道上運行。在這種軌道上飛行的飛船所受的各種力是平衡的，因此飛船處于自由運動狀態。根據牛頓運動第一定律，處在自由運動狀態下的運動物體不需要任何外力作用。因此，進入軌道以后的飛船如果沒有外力干擾，是不“吃煙火之食”，不需要任何燃料和動力的，而且能夠長期運行下去。方向和速度都不改變。如果對它施加動力，或者人為地改變飛船的航向，飛船的運動就發生變化，就不能繼續在原來的軌道上飛行。同樣，如果要改變飛行軌道，就要給它施加動力或改變飛船的航向。“旅行者”正是利用這條規律在浩浩太空中飛行的。

“旅行者”的飛行軌道是比較復雜的，它首先要飛向木星，其次要從飛向木星的軌道轉到環繞木星的軌道，其三要從環繞木星的飛行軌道轉到飛向土星、天王星、海王星的軌道，等等。“旅行者－2號”離開海王星飛向太陽系邊境時，還要再一次改變軌道。在這些改變軌道的過程中，因為運動狀態要發生變化，必須為飛船提供動力或改變飛船的航向。因此，飛船在行星際空間飛行時由于基本上不受外力作用因而不消耗燃料，但是在從一個軌道過渡到另一個軌道時則必須提供動力。后一項工作通常用兩種方法來完成，一是借助大行星引力，如“旅行者”離開木星、土星、天王星和海王星那樣，二是給火箭發動機點火，利用火箭的動力來改變軌道。

在“旅行者－2號”離開海王星之前，“旅行者”已在太陽系里跋涉了12年。在這漫長的12年中，雖然在大多數時間里不需要燃料和動力，但在改變飛船軌道時和飛船上儀器設備工作時則需要電能。“旅行者”的能源從哪里來呢?在太陽系內飛行時，因為它沐浴在陽光里，飛船上的太陽能電池帆板可以提供電能。但“旅行者”的目標是到太陽系外飛行，而且要在那里進行觀測。太陽系外的陽光是極其微弱的，到了那里，飛船上的太陽能電池帆板不再能產生電能。這時，飛船上的電能是自給自足的。“旅行者”飛船上裝備了3架放射性熱電發生器，這些發生器的熱量是由二氧化钚天然衰變產生的，能在遙遠、黑暗和寒冷的環境下工作，因此在離開地球27年后的今天，“旅行者”仍然在繼續工作。

太陽系邊境風光

太陽系邊境在哪里?這是一個難以回答的問題，因為太陽系邊界其實是人們想象出來的一個概念，它與國界和區域界限是不同的，實際上天空中并不存在這樣一個區域。以前，科學家把太陽引力所及的范圍視為太陽系邊界，把在太陽引力作用下運動的天體看作太陽系成員。冥王星是受太陽引力作用的最遙遠的天體，所以認為冥王星位于太陽系的邊界。

實際上，這樣一個概念是非常模糊的。從理論上講，引力可以無限延伸，太陽的引力可以延伸到銀河系以外。然而，根據萬有引力定律，引力和距離的平方成反比，因此在很大的距離上，引力的實際作用很小。例如，我們站在地球上，既受到地球引力的作用，也受到月球引力的作用，但在地球上，地球的引力是主要的，而到了月球上，月球的引力就起主要作用了。我們可以這樣設想，每個天體都有一個引力作用范圍，在這個范圍內，主要受這個天體的引力控制，在引力范圍之外這個天體就鞭長莫及了。太陽的引力作用范圍有3種數值：在0.45萬個天文單位(太陽到地球的距離叫做天文單位，1個天文單位等于15億千米)內是“引力范圍”，在2.6萬個天文單位內是“作用范圍”，在3.23萬個天文單位內是“希爾范圍”。冥王星在很扁的橢圓軌道上運行，它到太陽的最近距離是29.38個天文單位，位于海王星軌道附近；最遠距離等于49.30個天文單位，離開海王星軌道有20個地球到太陽距離之遙。然而，雖然冥王星在太陽系各大行星中位于離太陽最遠的一點上，但也比“引力范圍”小將近100倍。所以，太陽系的邊界應當比冥王星軌道遠得多。

另一方面，位于太陽系外圍的3顆大行星——天王星、海王星和冥王星都不是老老實實地在自己的軌道上“走路”，它們像醉漢一樣，左一腳右一腳地踉踉蹌蹌地行走。這種情況首先在天王星上發現。根據這種“行走”方式，天文學家計算出天王星軌道外有一顆行星。后來根據計算，觀測者果然找到了一顆行星，這就是海王星。海王星發現后，也存在“醉態”，因此天文學家認為海王星軌道外還有行星。經過長時間尋找，也找到了一顆行星，這就是冥王星。冥王星找到后，也存在“醉漢走路”的現象。這是不是說明冥王星軌道外還有“冥外行星”呢?這個問題吸引了許多天文學家。但是，直到現在，“冥外行星”還是鏡中花、水中月，想得到，難見面。

研究太陽系邊境還有兩件事需要提一下。

一是發現了冥王星衛星。1978年美國海軍天文臺的天文學家克里斯蒂從拍攝到的天空照片上發現了一個奇怪的現象：冥王星表面像是“長了瘡”——邊緣上出現了凸起物。經過分析，他大膽提出這個凸起物是冥王星衛星的像。后經“哈勃空間望遠鏡”證實，這確實是冥王星的一顆衛星，取名“卡戎”。卡戎發現后，被用來推算冥王星的半徑和質量，結果令天文學家大吃一驚，原來，冥王星的半徑只有2274千米，比月亮大不了多少，連水星的一半都不到，比原先估計值小得多。冥王星不僅在大行星行列里排在最后，就是同太陽系里大衛星相比，也只能算作“老八”。這一下，冥王星的大行星地位動搖了。

二是柯伊伯帶的提出。1951年，美國科學家柯伊伯提出，太陽系邊緣存在一群彗星狀的小天體，分布在盤狀的區域里。后來人們稱海王星以外30－50個天文單位的區域為柯伊伯帶，帶內的天體為柯伊伯天體。為了尋找柯伊伯天體，天文學家觀測了幾十年。但“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”。30年匆匆過去，1987年，兩個年輕的科學家——杰威特和盧烏決心探個究竟。他們把望遠鏡指向太陽系邊緣，苦苦守候了5年，到1992年才終于有了結果。他們在離太陽44個天文單位的地方找到了一顆小行星，這是在柯伊伯帶內發現的第一顆小行星。此后，柯伊伯小行星紛紛涌現出來。到2002年6月，在柯伊伯帶內已找到了562顆小行星。這些小行星分成兩類：一類軌道近似圓形，稱為柯伊伯天體；另一類軌道是較扁的橢圓形，稱為海外天體。杰威特還估計，這里的小行星總質量可達到地球質量的1/10，是木星和火星。