太陽系邊際探測人類認識宇宙的新窗口

太陽系是在太陽強大引力作用下，由太陽、8大行星、近500個衛星和超過120萬個小行星，眾多矮行星、彗星以及行星際介質等組成的龐大天體系統，所有天體都圍繞太陽運轉。

隨著人類深空探測能力的不斷提升，認識宇宙的手段越來越豐富，范圍越來越廣，太陽系邊界探測已經成為人類航天活動的重要方向、人類認識宇宙的新窗口。太陽系的邊界在哪里？邊界之外是怎樣的新世界？到達太陽系邊界又需要克服哪些難題？

太陽系的邊界在哪里

1977年，美國發射旅行者1號、2號探測器，在完成預定行星探索任務后，開始向太陽系邊界出發。2012年8月，旅行者1號在距太陽約121AU（1AU為日地平均距離，1.5×108公里）、距地球約190億公里處飛出日球層，成為第一顆進入星際空間的探測器。隨后，旅行者2號在2018年12月超越日球層頂，進入星際空間。

日球層頂和星際空間都是與太陽系邊界有關的概念，它們有什么含義？太陽系的邊界離我們有多遠？

對太陽系邊界，科學家們提出了3種定義。第一種是以行星軌道為界，從太陽延伸到海王星，直徑約30AU，是范圍最小的邊界。

這個邊界并不固定。2006年，國際天文學聯合會把冥王星從行星隊伍里踢了出去，使太陽系范圍一下子縮小約三分之一。2016年，科學家們發現柯伊伯帶6顆天體運行軌道異常的現象，推測那里可能存在第9大行星，如果在未來真實觀測到這顆行星，太陽系邊界將有很大擴展。

第二種定義是以日球層頂為界，這也是兩顆“旅行者”曾經抵達的地方。

根據人類對太陽和宇宙空間的觀測，太陽持續不斷地向外噴射超聲速帶電粒子流，形成橫掃空間的太陽風；另一方面，廣闊無垠的宇宙空間，充斥著各種原子、分子和塵埃等低溫星際介質。太陽風在吹開星際介質的同時逐漸減速，最終達到平衡。整個過程就像是太陽在銀河系用力吹出來一個磁化等離子體“大氣泡”，這個大氣泡就是日球層。

受太陽活動強度周期變化的影響，太陽風的強度也不斷改變，所以日球層的形狀和范圍并不固定。以日球層定義的太陽系邊界，距太陽約80～150AU，旅行者1號和2號用了近40年的時間抵達這里。

第三種定義是以太陽引力范圍為界。日球層之外，仍有廣闊范圍的天體繞太陽運行，這個邊界距離太陽大約5萬～10萬AU，最遠處是奧爾特云，一個裝滿了彗星的“大倉庫”。引力邊界是范圍最大的太陽系邊界，到太陽有1光年的距離。

太陽系范圍如此廣闊，在太陽系與其他恒星系之間，還有更加廣闊的星際空間，彌漫著稀薄的中性粒子、等離子體、宇宙塵埃等星際物質。2013年3月，旅行者1號探測附近空間的等離子體密度提升了40多倍，科學家們由此判斷它飛出日球層，進入了星際空間。

挑戰人類未知，探索無垠邊界

迄今，人類已經向太空中發射數千顆航天器，其中絕大多數運行在地球軌道，有100多顆飛出地月系，探測太陽、其他行星和小天體，還有寥寥數顆踏上更遠的旅程，飛往太陽系邊際。它們是先驅者10號、11號，旅行者1號、2號和新視野號。

先驅者10號、11號分別在1972和1973年發射。先驅者10號首次成功穿越火星和木星之間的小行星帶，飛掠木星，并利用木星的引力加速，在1983年飛出海王星軌道。受能源限制，2003年它與地球通信中斷時，已經飛到距太陽80AU的位置，并繼續沿著遠離銀河系中心的方向前進。

先驅者11號在1974年掠過木星，利用木星引力飛往土星，之后依次穿越土星光環和海王星軌道，并朝銀河系中心方向前進。它在1995年與地球通信中斷，與太陽距離43AU。

有了先驅者號的探索，旅行者號的旅程更加順利。旅行者1號先后到訪木星、土星，對土星環和土衛六大氣層進行了詳細探測。它裝有3枚核電池，可以支撐與地球通信到2025年，而它在星際空間的旅程還要持續4萬年，才能進入下一個恒星“氣泡”。

旅行者2號有另一番傳奇經歷，它幸運地趕上了176年一遇的“四星聯游”窗口，一次實現對木星、土星、天王星和海王星的飛越探測。

新視野號探測器發射于新世紀，在2006年進入軌道，2015年飛越冥王星。它以每年3.4AU的高速飛行，預計在2030年飛臨日球層邊際，只花費24年時間，是人類最快的探測器。

太陽系邊界極其遙遠、極其寒冷、極其黑暗，充滿神秘和未知，是目前人類技術能力的極限。太陽系邊界也蘊藏著重要秘密和寶藏，這里是保護太陽系免遭銀河宇宙射線潛在危害的第一道“防線”，保留著太陽系誕生早期的信息。

太陽風在日球層的傳播和演化機制是怎樣的？行星際塵云都保留著生命誕生和太陽系最初的哪些線索？對太陽系邊界的探測將開啟人類認識宇宙的新窗口，答案將在未來逐漸揭曉。

太陽系邊界探測需要哪些技術

太陽系邊界探測對航天技術提出了更高要求，需要提升極端環境下材料、儀器、電子元器件等基礎技術水平，突破軌道設計、新型高效能源與推進技術、超遠距離測控通信、新型科學載荷等尖端空間技術。

太陽系邊界探測距離遙遠，時間漫長，一方面需要探測器的能源系統可以保持長期穩定工作，另一方面與太陽距離越遠，探測器可以獲取的太陽能也越少，需要解決極暗條件下的供電問題。

目前核電池是解決能源問題的重要途徑。核電池自主發電，能量密度高，使用壽命長，現在放射性同位素溫差電源（RTG）發展比較成熟，使用钚-238作原料，核電池的半衰期長達88年，旅行者1號、2號的電源壽命都超過40年。核電池的一個重要方向是發展空間核反應堆電源，比同位素電源功率大、價格便宜，未來技術成熟后會整體提升探測器的性能。

探測器飛出數十億公里仍與地面不斷線，靠的是深空測控通信系統，能夠有效控制探測器的飛行，持續把珍貴的科學數據傳回地球。探測器與地球距離越遠，通信信號越衰弱，時延增加，需要設計更高效的信道編碼技術，突破超遠距離極弱信號捕獲與跟蹤，研制大口徑地面天線組陣和大功率發射機，使地球測控能力覆蓋太陽系，有效支持任務開展。

長期飛行探測也對探測器壽命提出更高要求。地球軌道衛星的壽命通常在10～15年，深空探測器要在惡劣的太空環境中飛行工作數十年，對使用材料、元器件、系統自主管理和故障診斷處理技術都提出更加嚴峻的挑戰，這些都需要一步一步解決問題。

太陽系邊界存在很多未知，要求探測器功能多、性能強，裝備先進而豐富的科學載荷，開展多類型多要素探測。科學載荷不僅要在探測精度和范圍、高靈敏度、輕小型化等方面不斷提升，還要盡量降低功耗，壓縮數據，確保探測器發揮最大價值。

太陽系邊界探測涉及多個尖端領域的大量技術難題，將牽引人類航天技術能力邁上新臺階，實現科技水平與創新能力的新提升。