“旅行者”飛出太陽系了嗎？

2013年北京時間9月13日凌晨，美國航空航天局（NASA）在官網宣布：美國旅行者-1（Voyager 1）正式成為第一個進入星際空間的人造物體。“旅行者”項目首席科學家斯通（Stone）說，“旅行者-1已經離開太陽風層，在宇宙海洋各恒星間遨游。”這個飛行了36年的空間探測器目前距離太陽大約為1.9×1010km（截至2013年9月9日，約126個天文單位，1個天文單位為太陽與地球的平均距離，約1.5×108km）。其實，新的數據顯示，旅行者-1已于2012年就進入了星際空間。雖然它仍受太陽引力等影響，但美國權威專家認為進入星際空間是歷史性飛躍，其意義堪比麥哲倫第一次環球航行或阿姆斯特朗首次載人登月。

1 邊界之爭

有關太陽系的邊界一直存在爭議，目前還沒有完全達成共識。此前有科學家定義太陽風“停刮”的邊界就是太陽系邊界，它大約是冥王星離太陽距離的2.5倍；此后，又有人提出以柯伊伯彗星帶為界，它距太陽約為50～1000個天文單位；還有人認為，當空間探測器探測到激波邊界，就表明它出了太陽系；另一種觀點是以太陽層頂為界（太陽層頂是太陽圈與星際空間之間的邊界，太陽風在此與星際物質達到平衡），它距太陽約為100～160個天文單位；更有甚者提出以依奧爾特云為界，它距太陽約為10萬個天文單位；理論計算表明，太陽系的引力范圍為15萬～23萬天文單位，若以這個為邊界，那太陽系就大了去了。

旅行者-1在太陽的磁場（白線）和星際磁場（黑線）的交界區

這些觀點可謂仁者見仁，智者見智，但簡言之，主要按以下幾種方式確定：一是以距太陽最遠的行星或矮行星的軌道為界；二是按太陽風所能到達的距離為界；三是按奧爾特云所處的位置為界；四是按太陽引力所能影響到的范圍為界。其中奧爾特云是一個假設包圍著太陽系的球體云團，布滿著不少不活躍的彗星。

這次，美國航空航天局的網站上雖然沒有旅行者-1飛出太陽系外的字樣，但稱旅行者-1是第一個進入星際空間的人造物體，即恒星系與恒星系之間的空間，所以大多數人認為這就是飛出太陽系的意思，只是沒有進入另一個恒星系。它達到了美國航空航天局有關飛出太陽系的最新標準。

近年，擁有大量權威天文學家和航天專家的美國航空航天局提出，確定空間探測器是在太陽系之內還是太陽系之外，主要應看它所在的區域占主導地位的粒子源自哪里，因為最新的空間探測成果表明，太陽系界面是延伸式和不規則的，原因是太陽粒子和太陽系外的宇宙粒子是互相影響的。所以美國提出用三項新指標，來衡量空間探測器是否飛出太陽系。一是空間探測器周圍來自太陽的帶電粒子數量是否急劇下降；二是來自太陽系的宇宙射線是否陡然增加；三是所處空間的磁場方向是否突然改變，后改為等離子體密度是否大大增加。

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激波邊界是太陽風在恒星間氣體壓力下減速的地帶。在這個地帶，太陽風從1×106～2.4×106km/h的高速急劇下降，其粒子密度更大，溫度也升高了。但由于恒星間氣體壓力變化，這個區域經常收縮或膨脹，很難清晰確定邊界。

旅行者-1探索“磁場高速公路”區域

2013年3月，美國兩所大學發表論文稱，旅行者-1已經成為首個脫離太陽系的人造物體，但這一結論隨即被美國航空航天局專家們批評為“草率、不實”。因為當時旅行者-1傳回的數據表明，它雖然已探測到了飛出太陽系的三項關鍵指標中的兩項，即來自太陽的帶電粒子數量只有以前的1%，源自太陽系外的宇宙射線比以往增加了2倍，但旅行者-1上的磁力計未發現磁場方向的偏轉。

不過，旅行者-1當時傳回的數據表明，它確實已抵達一個新的區域，聞到了太陽系外的味道。這片全新區域被科學家比作“磁場高速公路”，即太陽系內外的過渡區，在“磁場高速公路”內，帶電粒子會急速地四處亂竄，沿著“磁場高速公路”快速進進出出。

旅行者-1遨游宇宙示意圖

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星際空間等離子體密度的多少是判別旅行者-1是否飛出太陽圈內的最重要標志。等離子體廣泛存在于宇宙空間中，是帶電粒子最稠密和運動最緩慢的形態。因為太陽風從太陽表面向四面八方流出，如果旅行者-1突破了太陽圈，那其周圍的等離子體就會發生改變。現在，旅行者-1已經穿透了太陽層頂，也就是太陽等離子體和星際等離子體之間一直假設存在的那道邊界。

2 意外收獲

因為沒有旅行者-1達到飛出太陽系的第三條證據，所以對它是否飛出太陽系一直爭論不休，正當有關專家感覺山窮水盡疑無路之時，今年突然又柳岸花明又一村，這是由于來自于太陽活動高峰給予了意外支持。

2012年3月，太陽突然發生了一次物質噴發，這些物質經過13個月時間于2013年4月9日到達旅行者-1當時所處的位置，并使其周圍的等離子體發生了振蕩，頻率達到3.1kH z，該頻率意味著等離子體密度比在太陽系內大80倍（比旅行者-2同一時間在太陽圈內探測到的等離子體密度大40倍），接近了天文學家預測的星際空間的等離子體密度，據此，“旅行者”項目團隊改變了此前判斷空間探測器是否飛出太陽系的第三條標準，由所處空間的磁場方向突然改變改為等離子體密度大大增加。因而認為，旅行者-1現已經通過太陽層頂（heliopause，太陽風在星際介質內吹出的氣泡被稱為太陽圈，在這氣泡的邊界外面就是太陽風再也推不動的龐然巨物星際介質，這個邊界通常稱為太陽層頂，并且被認為是太陽系的外層邊界），進入了到星際空間等離子體的懷抱。

科學家是通過探測旅行者-1周圍等離子體振蕩的大小可計算電子密度，從而推定旅行者-1的位置。2012年10月23日-11月27日，旅行者-1所處區域電子密度為0.06個/立方厘米。2013年4月9日-5月22日，它所處區域電子密度為0.08個/立方厘米。現有理論認為，星際空間電子密度在0.05～0.22個/立方厘米之間。按旅行者-1每年飛行約3.5個天文單位的速度計算，結合2012年10月至11月間獲得的數據，科學家最終一致認定，旅行者-1在2012年8月25日前后跨出了太陽系，那一天也恰好是旅行者-1所處空間出現太陽粒子基本消失和銀河宇宙線數量明顯上升，當時它距離太陽大約121個天文單位。隨著在星際空間位置“愈發深入”，其周圍的電子密度不斷上升。

此前，由于旅行者-1不能對等離子體進行直接的觀測，所以科學家想利用測量磁場變化來來間接測量等離子體的變化。然而，旅行者-1周圍的磁場方向并沒有變化發生，幸運的科學家借助太陽風暴探測了旅行者-1周圍的星際空間等離子體。不過，由于目前旅行者-1所在區域的磁場方向沒有按照預期改變。所以一些學者對它是否飛出太陽系仍存爭議，但一位馬里蘭大學電子和應用物理學研究員認為，粒子數據“更靠譜”，磁場變化幅度可能不如科研人員想象中大。不過，為了謹慎起見，“旅行者”項目團隊對外的正式說法是：旅行者-1已進入新的宇宙區域。

現在，雖然旅行者-1仍能探測到部分太陽磁場和帶電粒子效應，且無法確定旅行者-1什么時候才能到達完全沒有太陽影響的星際空間，但筆者認為，旅行者-1已擺脫了太陽系的主要影響，進入臨近太陽系外一片嶄新的過渡區域，所以可以認定它已飛出了太陽系。這樣做既有科學依據，也對世人是個巨大的鼓舞和激勵。它也揭示了太陽系的大小，即太陽系的邊界距太陽約122個天文單位，這相當于冥王星距太陽的3倍。現在，旅行者-1與太陽的距離比旅行者-2與太陽的距離遠大約3.5×109km。另外，旅行者-1的飛行方向更向北，而旅行者-2更向南，預計4年后飛出太陽系。

3 未來命運

旅行者-1和2目前所處的位置

遠離地球的5個美國空間探測器目前所處的相對位置

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旅行者-1裝有3臺放射性同位素熱電發射器作為電源，可提供30V、470W的電能。其總能量輸出將隨著同位素放射源的消耗而緩慢減少。目前，放射性同位素熱電發電機每年產生的功率很小，因此科學家需要確定哪種設備是傳回太陽圈和星際空間關鍵數據的優先設備，并將其他設備逐一關閉。目前加熱器等其他一些航天器設備已經被關閉。

“旅行者”項目首席科學家斯通認為，旅行者-1已經離開太陽層頂，在宇宙海洋各恒星間遨游。進入星際空間是個重大的里程碑，使人類了解的太陽系有多大，標志著星際探索新時代的到來，它表明人類探索宇宙的能力已達到了很高的水平，其技術對于未來宇宙探索具有重要的借鑒意義。

它飛出太陽系后的主要任務是測量宇宙光束粒子，探測太陽風和其他恒星風之間的作用，其下一個里程碑也許是飛近太陽之外的另一顆恒星，不過，實現這一目標大致需要4萬年。此外，旅行者-1還帶著將地球人的信息—“地球之音”傳遞給外星人的任務。未來擺在旅行者-1面前的有兩個問題：

一是電力的問題。為節約電力，旅行者-1在探測完土星及其衛星后已陸續關閉了一些有效載荷，2020年還將關閉磁場和粒子探測設備，只留下紫外線探測設備繼續工作，直到2025年核電池耗盡。在2025年以后，將收不到旅行者-1發回的科學數據，但其工程數據還將在之后幾年中繼續傳回，它會繼續以17km/秒以上的第三宇宙速度向著銀河系的中心前進。

二是信號的接收問題。因為信號的強度與距離的平方呈反比，距離越遠信號越弱。旅行者-1可以飛得無限遠，但如果接收不到信號，那一切都沒有意義。目前旅行者-1發回的數據要用超過17h才能傳回地球。目前發射信號的功率為23W，相當于冰箱內燈泡的功率，使探測器每天都與地面保持聯系如果人類能在旅行者-1和地球之間建幾個中繼站可能就會解決這個問題，但是目前各國還沒有相關的計劃項目。

旅行者-1正在以每年3.5個天文單位的速度遠離太陽系，方向是與黃道平面成35°夾角向北，即將向著蛇夫座的方向飛去，到公元40272年(距今38258年后)，旅行者-1將到達距離小熊座一顆模糊恒星1.7光年的地方。不知，它在未來的漫長飛行過程中是否能遇到外星人，如能遇到，外星人是否能讀懂地球人傳遞給他們的信息，并與地球人進行聯系。旅行者-2正以每年3.1天文單位的速度飛行，方向與黃道平面成48°夾角向南，朝射手座和孔雀座的方向飛去。在大約4萬年后，旅行者-2將到達距離一顆名為Ross 248的恒星1.7光年的位置，這顆小型恒星位于仙女座。

旅行者-1的大部分科學探測儀器裝在右邊的短懸臂上

為旅行者-1安裝“地球之音”唱片

旅行者-1上的金銅制唱片

延伸閱讀：

美國旅行者-1是1977年9月5日升空的。在此前的1977年8月20日，與其基本一樣的旅行者-2率先上天。這2個“旅行者”的最初目標都是探測木星、土星、天王星和海王星。因為它們的飛行軌道設計利用了這幾顆外行星當時處于非平常（每177年出現1次）的排列特點，所以可使探測器采取行星借力飛行的方式從木星飛向土星，然后飛向天王星和海王星，從而實現4聯的任務目標。

但由于飛行軌道不同，速度較快的旅行者-1后來居上，于1979年2月先期到達了木星上空，1979年11月飛到土星附近。后來，又因為旅行者-1新增加了重點探測可能有生命的土衛六的任務，即繞飛土衛六，而探測土衛六有特定的軌道要求，所以在完成土星 六探測后，旅行者-1沒有按原定計劃飛往天王星和海王星進行探測，而是直奔太陽系邊緣。

旅行者-1攜帶有10種科學探測儀器，包括成像系統、紫外光譜儀、紅外光譜儀、行星射電天文學實驗、照相偏振測量儀、磁強計、等離子微粒實驗、低能量帶電粒子實驗、等離子波實驗和宇宙射線望遠鏡，用于探測宇宙線、行星磁場、行星大氣成分等。

該探測器攜帶了一張名為“地球之音”的30.5cm鍍金銅制唱片。這張壽命可達10億年的唱片，一面錄制了美國總統和聯合國秘書長的賀辭、55種語言的問候語，包括中國的方言（普通話、粵語、閩南語和江浙一帶的吳語），還有35種地球自然界的各種聲音（包括火山爆發聲，滂沱大雨聲，海浪波濤聲，火車、飛機和汽車轟鳴聲，火箭發射隆隆聲，嬰兒第一次啼哭聲，鳥啼蟲鳴聲，等等，表示地球45億年的發展歷史）、27首古今世界名曲（中國的京劇唱段和古琴演奏的《高山流水》古曲）；另一面錄制了包括中國長城和中國家宴在內的116幅反映地球人類文明的照片，照片反映了太陽系的方位、地球人的細胞組成、男女性別、家庭組成和風土人情等。人們期望，有朝一日，它們會被宇宙中的外星智慧生命截獲。那時，外星人就有可能通過這些了解到地球人的存在。

2013年第四季度航天器發射統計

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