星际穿越满一年旅行者2号看到了哪些新鲜事

出品：科普我国

制造：李会超 （哈尔滨工业大学（深圳））

监制：我国科学院计算机网络信息中心

当咱们用力将空气吹入气球时，气球便在气球表里压强差的效果下向外胀大。而当咱们吹好气球、将口扎紧时，气球表里压强的平衡使得气球总能坚持圆滚滚的形状。在太空之中，太阳也用太阳风体吹起了这样一个“气球”，而星际物质的存在和使得这个“气球”具有了特别的巨细与形状，科学家们将这个气球称为“日球层”。而太阳风与星际物质相交会的当地，则被称为“日球层顶”。来自太阳系内部的飞行器，一旦跳过日球层顶，就脱离了太阳风所能影响的空间规模，进入了“星际穿越”的新旅程中。

日球层大致结构示意图，图中Heliosphere为”日球层“，Heliopause为”日球层顶“，Termination Shock 为”停止激波“，Heliosheath为”日球鞘层“，Voyeger 1和Voyager 2别离为“旅行者1号”和“旅行者2号”。（图片来历：NASA）

太阳带领整个太阳系在银河系中运动，在与星际物质迎面相遇的那一侧，日球层顶间隔太阳的间隔约为一百多个地理单位（AU），也便是地球与太阳之间间隔的100多倍（1地理单位=日地均匀间隔）。作为人类现在飞的最远的勘探器，美国于1977年发射的旅行者1号与旅行者2号，在2012年8月和2018年11月别离完成了日球层顶的穿越。旅行者1号在地球轨迹面（黄道面）以北的方位穿越日球层顶，穿越时与太阳的间隔为121.7地理单位。旅行者2号则从黄道面以南穿越日球层顶，穿越时刻隔保养119.0地理单位。因为旅行者2号上的等离子体谱仪（PLS）依然可以正常作业，并没有像旅行者1号的PLS相同在上世纪八十年代就宣告停工，科学家们对旅行者2号的星际穿越可以带来的科学发现寄予了更大的希望。

本次发布的观测成果中，所发现的日球层顶邻近的丰厚而杂乱的结构。（图片来历：文献[1]）

北京时刻2019年11月5日0点，《天然·地理》期刊在线宣布了五篇论文，从不同的方面介绍了旅行者2号和旅行者1号在星际空间中看到的新鲜事。经过这两个勘探器的观测，科学家们发现，太阳风和星际物质的相互效果使得日球层顶邻近出现了丰厚而杂乱的相互效果结构。在答复原有问题的一起，这些勘探成果也为未来的日球层边沿勘探提出了更多新的问题，有待咱们研发发射更多的勘探器去答复。

星际穿越新鲜事

旅行者1号等离子体谱仪的停工，科学家们不得不选用另一种方法来估测它地点方位的电子密度。无论是太阳风和仍是星际物质，都是由一种叫做等离子体的物质形状构成的。在等离子体中，现已被电离的电子和离子与电磁场高度耦合，电磁场的动摇频率可以反映等离子体的电子密度等性质。在旅行者1号上，丈量等离子体中电磁场动摇的仪器依然在作业。一旦从太阳喷薄而出的迸发，经过绵长的传达抵达旅行者1号飞船邻近，在旅行者1号地点的方位发作比较显着的电磁动摇，科学家们就可以使用这名贵的时机，计算出旅行者1号邻近的等离子体密度。协助科学家们承认旅行者1号现已处于星际空间的，便是2012年发作的一次迸发。

旅行者号勘探器外观。（图片来历：NASA）

在本次宣布的有关等离子体密度观测的论文中，科学家们发现用电磁场动摇估测电子密度的丈量方法是靠谱的。从旅行者2号的观测数据来看，由等离子体谱仪直接丈量的电子密度和用电磁动摇摇估测的电子密度根本共同。一起，旅行者2号与旅行者1号勘探到的紧邻日球层顶的星际物质密度也根本相同，进一步证明了跨过日球层顶，密度将跃升20-50倍的理论计算成果。

使用几回迸发工作取得的勘探时机而取得的旅行者1号地点方位的密度状况。（图片来历：文献[2]）

使用旅行者1号穿越日球层顶、来到星际空间之后又遇到的几回勘探时机，科学家们发现旅行者一号勘探到的密度越来越大，正在翻越一座星际物质的“山峰”。这座“山峰”是处于日球层外部的一个鸿沟层，现在的一种观念以为它或许是星际物质在日球层顶邻近遇到阻止、无法行进后堆积而成的，而旅行者1号现在刚好爬上了这座山峰的封顶。能否如理论猜测的相同在未来“下山“，以及旅行者2号是否会爬上这座“山峰”，就有待进一步观测的证明了。风趣的是，25年前，两艘旅行者号上的射电观测设备就从前经过遥感观测的方法发现过这个鸿沟层的存在。而25年后，她们总算走到了那里，亲身爬上了这座她们从前“远眺”过的“山峰”。

旅行者2号发现的“磁场屏障”（Magnetic barrier），可见在穿过磁场屏障后、进入星际空间后，子图d中所示的高能银河世界线通量发作了明显添加。（参阅来历：文献[3]）

因为失去了一部分大气层的维护，常常坐飞机的旅客或许要遭到更多的银河世界线的辐射。可是，除了成天要待在天上的空乘人员需求对此进行留意外，旅客们在一般状况下不必忧虑银河世界线的辐射剂量会带来什么危险，因为咱们日球层便是银河世界线的另一个屏障。在关于日球层顶邻近磁场观测的论文中，经过旅行者2号的勘探数据，科学家们好像发现了究竟是什么结构将世界线挡在了日球层之外。从日球层内到日球层外，磁场强度如科学家们料想的那样出现了约4-5倍的添加，而这个改变是经过一个过渡区域逐步发作的。在穿过这个区域时，银河世界线的强度也发作了较大的添加。科学家们将这个过渡区域成为“磁场屏障”，正是这个屏障阻挡了能量较高的银河世界线进入日球层傍边。科学家们估测，磁场屏障有或许是日球层表里的磁场经过磁重联等相互效果，构成的一个杂乱的动力学体系。此外，旅行者1号穿越日球层顶时，勘探到了出乎科学家们预料的一个状况：磁场方向在日球层表里没有发作太大的改变。旅行者2号的观测进一步证明了这个状况。探求这个现象背面的原因，这使得相关范畴的学者们又有许多作业可以做了。

旅行者1号（红线）在穿越日球层顶前所观测到的两次银河世界线增强工作，别离坐落Day280 和Day 300。蓝线为旅行者2号观测数据。旅行者1号的数据在时刻上向后平移6.2年以便利与旅行者2号数据对齐。（参阅来历：文献[4] ）

实际上，“磁场屏障”或许也并非铁板一块，在另一篇专门评论世界线观测论文中，科学家们展现了旅行者1号在日球层内部所遇到的两次银河世界线增强工作。好像心跳的脉冲相同，这两次增强出现的都是偶发性的短时快速改变。旅行者2号在日球层内没有遇到这样的工作，但其在日球层外观测到的世界线特性，与旅行者1号在日球层内所遇到的这两次增强工作中，世界线所出现的性质共同。这说明，世界线或许经过什么机制穿透了磁场屏障，可以短时少数的侵略到了日球层内部。

在日球层内部接近来球层顶的方位上，旅行者2号可以正常作业的等离子体谱仪，让科学家们发现了两个鸿沟层。第一个鸿沟层比较靠内，厚度也相对较大，有1.5个地理单位。从太阳外表一路奔跑到日球层顶邻近的等离子体，在这个鸿沟层中的密度和温度开端增大。在紧靠日球层顶的当地，另一个厚度只要0.06地理单位的鸿沟层中，等离子体远离太阳的速度出现下降的态势。这与旅行者1号观测到的状况有所不同。旅行者1号观测到了等离子体在抵达日球层顶之前就阻滞了的现象，而旅行者2号观测到的则是在第二个鸿沟层之前都继续坚持高昂向前姿势的等离子体。

更多问题有待提醒

本次发布的成果再次标明，日球层顶并非像气球的外皮相同，是日球层与星际物质的简略分隔。无论是在星际空间仍是在日球层内，在靠近来球层顶的当地都存在着杂乱的相互效果进程和动力学结构。一起，尽管旅行者1号和旅行者2号兵分两路，别离对黄道面以南和以北的日球层顶结构进行了勘探，但这关于勾勒出日球层的完好结构还远远不够。例如，两艘勘探器所穿越日球层顶的方向，都是日球层与星际物质迎面相遇的那一侧。而在另一侧，日球层顶究竟出现怎样的形状，则尚无定论。有学者以为，假如星际物质中的磁场占主导地位，那么整个日球层将出现出椭球状的形状。反之，假如是星际物质的动能或内能占优，则日球层顶的另一侧很或许会像彗星相同，拉出长长的尾巴。

此外，因为为两艘旅行者号勘探器供电的同位素电池的电量现已近乎衰竭，科学家们或许在下一年就不得不封闭一切的科学仪器，无法再发作新的科学勘探数据。而到了2025年，电池输出的电能现已无法支撑旅行者号飞船最根本的运转和通讯。那时，咱们将不得不中止与两搜勘探器的联络，再也听不到这两艘现已离家几十年的孩子在星际空间中向地球家乡的呼叫。

旅行者号40周年纪念海报。（图片来历：NASA）

除了到日球层顶顶进行实地勘探外，科学们也能经过遥感勘探来探究日球层顶的隐秘。现在正在地球邻近作业的NASA"星际鸿沟勘探器"(IBEX)经过搜集不同能级的高能中子来对日球层进行成像观测，这些高能中子发作于太阳风和星际物质在日球层鸿沟上的相互效果。经过记载不同方向上射来的高能中子的通量差异，IBEX的数据可以使科学家们了解不同方向上太阳风与星际物质相互效果的激烈程度。但是，遥感勘探与实地勘探可以相互配合和促进，却不能互相代替。咱们依然需求差遣更多的“勘探队员“，才干更好的了解日球层的性质。这不但可以增进咱们对所在的太阳系的了解，所得到的定论还能进一步推行到咱们无法实地勘探的世界中其他天体体系中。在旅行者1号、2号之后，尚无清晰的日球层顶勘探方案。拜访过冥王星的NASA新视野号，搭载的仪器并非为日球层顶勘探量身打造，现在也尚不清楚其勘探器寿数和运转资金能否支撑她继续进行日球层顶的扩展勘探。

IBEX数据制作的高能通量分布图。（图片来历NASA ）

今年年初，《我国科学·信息科学》期刊刊登了我国学者对太阳系边沿勘探的想象与方案。这些学者中既有来自航天工业部门各个单位的工程师学者，又有来自北京大学、中科院等单位从事空间科学基础研讨的学者。在这篇论文中，我国学者将太阳系边沿勘探的方针划分为100地理单位的近期方针和1000地理单位的远期方针，别离想象在2049年前后和本世纪末完成。在近期方针的勘探中，他们提出了日球层鼻尖、日球层鼻尖反向和日球层极区这三个勘探方向，而这三个方向既是两艘旅行者号飞船没有勘探的盲区，又是建立起日球层完好图画的要害区域。当然，雄伟的方针还需求打破提一系列要害技能，让勘探器可以寿数长、飞的快、省燃料，与地球的通讯不断线，运转中的小问题可以自主处理，勘探到的科学数据准确牢靠。

在两艘旅行者号飞船发射时，我国才刚刚具有了发射卫星的技能，国家的技能实力和综合国力也远达不到支撑这种杂乱深空使命的程度。而在今日，跟着嫦娥探月工程和火星勘探工程等许多深空勘探使命的展开，去往星际空间，应该是经过咱们尽力就可以有所作为的工作。

我国学者提出的根据核反应堆的勘探器构型图。（图片来历：文献[7]）

有关文献：

[1] Strauss, R. D. T. Voyager 2 enters interstellar space. Nature Astronomy (2019)

[2] Gurnett, D. A. and Kurth W. S. Plasma densities near and beyond the heliopause from the Voyager 1 and 2 plasma wave instruments. Nature Astronomy (2019)

[3] Burlaga, L. F. et al. Magnetic field and particle measurements made by Voyager 2 at and near the heliopause. Nature Astronomy (2019)

[4] Stone, E.C. et al. Cosmic ray measurements from Voyager 2 as it crossed into interstellar space. Nature Astronomy (2019)

[5] Richardson, J. D. et al. Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium. Nature Astronomy (2019)

[6] Krimigis, S. M. et al. Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the heliopause and beyond. Nature Astronomy (2019)

[7] 吴伟仁 等，太阳系边沿勘探研讨，我国科学：信息科学（2019)，49（01）：1-16