空间物理漫谈 | 天外之天: 日球层顶以及更远
原创 大雁
2013年9月13日，美国宇航局NASA通过其网站发布消息称，其在1977年发射的旅行者1号探测器，已经于2012年8月25日进入星际空间，成为第一个进入这一全新太空区域的人类航天器。随即，媒体开始报道这一令人振奋的消息——“旅行者1号首次飞出太阳系”、“人类制造的航天器首次到达太阳系边缘”，诸如此类。但是，有天文学家提出反对意见——“太阳系很大”、“旅行者1号距离太阳系边缘还有很远的距离”、“再过几万年也飞不出太阳系”等等。那么，旅行者1号在2012年所到达的地方是怎样的一个太空区域呢？太阳系的边际在哪里呢？蒸蒸日上的中国航天，会不会也要到那个神秘的地方去一探究竟呢？
图1. 旅行者1号探测器。
（图片来自NASA）
旅行者1号和旅行者2号是美国宇航局为了探测太阳系的外行星而研制的两颗双胞胎探测器。其中作为小弟的旅行者2号于1977年8月20日率先发射升空，而作为大哥的旅行者1号却有点墨迹，于1977年9月5日才发射升空。大哥毕竟是大哥，旅行者1号后来居上，飞得比旅行者2号要快一些。1979年3月5日，旅行者1号飞掠木星，获得木星的引力弓加速；1980年11月12日飞掠土星，获得土星的引力弓加速，继续向太阳系外围飞行。旅行者2号于1979年7月9日飞掠木星，获得木星的引力弓加速；1981年8月25日飞掠土星，获得土星的引力弓加速。旅行者2号在土星轨道处调整了方向，向着天王星和海王星方向飞去，于1986年1月24日和1989年8月25日分别飞掠了天王星和海王星，随后奔向太阳系外围的太空区域。
图2. 旅行者2号探测器。
（图片来自NASA）
图3. 旅行者1号和旅行者2号的飞行轨迹和途经位置。
（图片来自NASA）
与其他恒星一样，太阳是通过其中心的核聚变过程产生巨大的能量，它不仅可以发光发热，而且源源不断地向周围吹出一种叫做太阳风的等离子体，这种等离子体是一种电离气体，也就是原子核周围的电子被剥离而成为带正电的离子，带负电的电子在更远的距离上自由流动。这种太阳风等离子体非常稀薄，微观粒子之间几乎没有碰撞，却能通过电磁相互作用与太阳的磁场紧紧地“粘”在一起。太阳风携带着太阳磁场以很高的速度向太阳的四面八方流动，其速度比我国高铁还要快4000倍，最终在大约80天文单位（地球到太阳的平均距离）的地方产生一个终止激波，并减速到声速以下。减速后的太阳风继续向外膨胀，直到遇到来自星际空间的等离子体，相互交汇而形成一个厚度约为1亿多公里的边界层，这个边界层就称为日球层顶。日球层顶以内的区域，是太阳风和太阳磁场所能到达和“管辖”的区域，称为日球层；日球层顶以外的区域，是星际介质“管辖”的区域，称为星际空间。太阳是银河系的一颗恒星，它携带着整个太阳系的天体，围绕着银河系中心以每秒200公里的速度公转，因此日球层不是一个圆球形的“泡泡”，而是一个被拉长了的椭球形的“泡泡”。
图4. 日球层：太阳风吹出来的巨大“泡泡”。
（图片来自NASA）
像太阳风和星际介质这样的等离子体，由于过于稀薄而无法产生微观粒子之间的碰撞，被称为无碰撞等离子体。由于微观粒子大多都是带电的，它们之间存在电磁相互作用，即带电粒子的运动受到周围其它带电粒子所产生的电场和磁场的影响，同时带电粒子会产生电场，带电粒子的运动会产生磁场，反过来又影响周围的电磁场，从而使这些微观粒子通过电磁相互作用而耦合在一起，成为一个整体，并产生复杂的集体效应。除了电磁相互作用，宇宙间还有引力相互作用、强相互作用和弱相互作用。其中强相互作用只存在于原子核的内核子之间，其作用距离大概是1纳米的百万分之一；而弱相互作用则存在于更小距离上的夸克与夸克之间。引力与电磁力都是长程力，其中静电力具有和引力相同的数学表达式，但具有不同的物理属性：一个来源于质量而又作用于质量，另一个来源于电荷而又作用于电荷。在同一个位置上，引力和电磁力可以共存，但对于不同的物理过程和现象，总有一个起主导作用而另一个可以被忽略。在天文学家眼里，主要是引力起主导作用，而在空间物理学家眼里，主要是电磁力起主导作用。
图5. 旅行者2号在日球层顶观测到的太阳风离子和高能宇宙线。
（图片来自NASA）
按照美国宇航局的消息，旅行者1号于2012年8月25日进入了人类航天器从未到过的星际空间。这一消息是旅行者号科学团队在激烈争论了一年之久之后才宣布的，并且仍有科学家反对这一结论。2018年12月，在华盛顿召开的美国地球物理学会秋季会议上，美国宇航局宣布旅行者2号于2018年11月5日进入了星际空间。相比之下，旅行者2号的消息宣布得更快，原因就在于人类从未实地探测过这样的区域，从未基于实际观测来认识过这一区域的特征和现象，此前所有的认知都是基于理论计算和推测。首先，判断旅行者1号进入星际空间的关键证据，是基于其携带的等离子体波动探测仪，等离子体波动是等离子体中的电子集体震荡，其震荡的频率与电子的密度有关。在2013年4月9日至5月22日期间， 旅行者1号探测到等离子体波动频率为3100赫兹，对应的电子密度为0.08/立方厘米，也就是说，太空中每12.5毫升的体积中只有一个电子，相比于森林中每立方厘米2000多个的负氧离子含量，可见那里的等离子体有多么稀薄。但即便是这样稀薄的电离气体，也比日球层里面的太阳风等离子体稠密40倍，这个密度符合理论预期的星际空间密度。根据这一观测，再对比稍早的观测数据，科学家发现旅行者1号最早在2012年8月25日就观测到了这一现象，从而判定旅行者1号在那时就已经触及了星际空间，也就是说，旅行者1号正在跨越日球层顶，这个位置大约为183亿公里，相当于122天文单位。也有科学家反对，反对的理由是旅行者1号没有观测到磁场的突然变化，因为来源不同的等离子体携带者各自起源不同的磁场，在边界面上应该有磁场的突然变化。如果没有观测到磁场的变化，单靠等离子体波动推算的等离子体密度，似乎证据不足。6年后，旅行者2号也到达了大约180亿公里的距离，并且在这里观测到了来自太阳的等离子体密度突然下降，而来自星际空间的高能宇宙线粒子突然上升，从而更加有把握的确认了旅行者2号也正在穿越太阳吹出来的巨大“泡泡”的边缘，也就是日球层顶，进入了星际空间。旅行者2号还确认了在这个“泡泡”的里面和外面，来源不同的两种磁场是相互平行的，同时也解释了旅行者1号没有观测到磁场的变化是正常的。应该指出的是，日球层顶的厚度可达1亿多公里，并且是随着当地两侧等离子体的拉锯战而不断移动的。因此，旅行者1号触及到了星际介质，可能还会再次被太阳吹出来的“泡泡”所浸没。
图6. 地球磁场在太阳风中制造的“泡泡”及其与月球轨道的关系。
既然旅行者1号和旅行者2号触及到了来自的星际空间的物质，就意味着人类已经把自己的“触角”伸到了太阳的“泡泡”以外，那么旅行者1号飞出太阳系的说法为什么遭到天文学家的反对呢？我们可以类比地球和月球：月球是地球的天然卫星，是依靠引力围绕地球运行而与地球组成地月系。地球吹出的“泡泡”在向阳面距离地球大约7万公里，而月球距离地球平均为38万公里。因此，月球在绕地球运行的轨道上，轻轻松松就穿出了地球的“泡泡”而进入太阳风中，我们可以说月球进入太阳风就脱离了地球吗？显然没有。事实上，太阳系中像月球这样的卫星不止一个，很多行星的卫星就穿梭于行星“泡泡”与太阳风之间，但是它们并没有脱离行星，也就是没有脱离这种引力主导的运行关系。太阳系是由太阳、行星、小行星、彗星以及外围的冰块尘埃等组成的庞大系统，这些宏观物体依靠引力而聚集在一起。太阳系的八大行星中，最外侧的海王星距离太阳大约为30天文单位，冥王星和其它柯伊伯带的天体，最远可以运行到55天文单位。所有这些天体，都被太阳的 “泡泡”包裹着而浸没在太阳风中。可是，在这个“泡泡”之外呢？还有没有宏观物体？冥王星是一位不幸的小伙伴，在被发现后还没有绕太阳转完一圈，就被无情地除名了。依据2015年的一项研究，科学家根据柯伊伯带天体的轨道分布特征，理论上推算出可能的第九大行星的位置，可达600天文单位，远远超过了太阳的“泡泡”边缘——日球层顶。如果这颗行星真的存在，它就像飞出地球磁层而进入太阳风的月球那样，在自己的轨道上轻松可以飞出日球层顶，但却不能说它飞出了太阳系。虽然这个第九大行星仍只是理论推算而缺乏观测证据，但是太阳系还有远至1光年之遥的奥尔特云，被认为是长周期彗星的起源，那里的冰块、石块和尘埃仍然是太阳系的宏观物体，仍然受太阳引力支配，但它们却远远地处于太阳的日球层之外。因此，飞出了日球层，并不意味着飞出了太阳系。一个宏观物体要飞出太阳系，首先要具备足够的速度，对应到地球上就是每秒16.7公里的第三宇宙速度，而且要到达太阳与另一颗恒星的引力平衡点，这远远超过了奥尔特云的距离。另一方面，NASA的报道并没有说飞出太阳系，只是说“进入了星际空间”、“飞越了日球层的边缘”。因此，“飞出太阳系”的说法，属于文字误读和善意期盼。
图7. 柯伊伯带和奥尔特云。
（图片来自网络）
从空间物理学家的视角，飞出日球层，就触及到了星际介质，从电磁力主导的物理过程理解，这也是一个振奋人心的消息，对于揭示太阳风与星际等离子体的相互作用过程具有划时代意义。正因为我们缺乏对这一区域的认知，才需要进行实地探测活动。因此，无论是从引力角度还是从电磁力角度来定义太阳系的边际，那里都充满着值得我们探索和揭示的未知现象和过程。对此，我国已经启动太阳系边际探测的论证。令人期待的是，在不久的将来，我国在日球层顶以及更远的深空，也将留下中国人坚实的探索脚步。
- 作者信息 -
大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
