旅行者号探测器：人类送往太阳系外的两只风筝

• 回顾旅行者号穿越“太阳风泡”的故事，全文略长，希望多多关注支持。

以风筝之线为始，以彩虹之海为终

最近看了星游记的《冲出地球》的电影，一家人三口，我的老婆意兴阑珊。我的孩子好像是因为年龄太小的缘故，没有像以前我们带他去看奥特曼和喜羊羊时那么激动。然而，我还是看得是津津有味。还是年少时的情怀吧。说起这个电影，让我想起来了旅行者1号和旅行者2号探测器冲出太阳系的故事。这与主人公冲出地球是多么的类似，以风筝之线为始，以彩虹之海为终。

美国NASA于1977年9月5日发射的太空探测器旅行者1号，作为旅行者计划的一部分，旨在研究太阳系外和太阳日球层以外的星际空间。旅行者1号在其孪生旅行者2号发射16天后发射。这是人类向太空放的两只风筝，也是放飞最远的两只风筝。他们都已经冒险进入日球层之外。

让我们首先了解当你离开太阳系中心时会发生什么

首先明确两个概念，电磁辐射与太阳风。太阳风是指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流；电磁辐射是由同向振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递动量和能量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。

除了电磁辐射，太阳也是太阳风的来源，即粒子流——首先是质子和电子。太阳风不断地从太阳中流出，同时形成超音速流。

其次，太阳系就像被大泡泡包裹起来的“细胞”，“细胞“内外都充满了物质。在”细胞“内部，即使远离中心地带太阳，它也不是真空，更不是虚空，而是一个充满粒子的介质环境。因此，正如在任何充满粒子的介质中，可以确定其中的声速。例如，在地球轨道上，太阳风的速度在每秒400至700公里之间，这大约是近地等离子体中音速的10倍。

在“细胞”外部，太阳系又处于一个局部的星际介质中，其中也充满了质子和电子——星际等离子体。太阳在这个等离子体中运动，这可以与飞机在空中的运动相比较。其结果是两股气流的相互作用：球形对称的太阳风，从恒星向各个方向扩散，如果我们在与太阳的耦合参照系中看，则是星际等离子体的流动正在向我们袭来。

这两股气流碰撞后形成一个相互作用的区域，该区域由几个边界组成（类似于细胞膜）。旅行者号早已越过靠近太阳的边界，被称为日球层冲击波。其特点是太阳风的速度从超音速减慢到音速。

这个地方发生了什么？我们人类凭什么环境特征来理解我们已经越过了这个边界？

在这里，一切都像超音速飞机一样发生。在它前面也形成冲击波，其中流动被抑制，其密度和温度升高。旅行者1号于2004年越过了这个边界，旅行者2号于2007年越过了这个边界。

在离太阳更远的地方，有一个平衡点，来自内部的太阳风和来自外部的星际等离子体碰撞的气流的压力会相等。在这个地方，形成了一个日球层顶，里面的空间被称为日球层。一年前，旅行者2号越过了这个边界。

这里的太阳风会发生什么？它是否会停止？

一般来说，太阳风不会穿透到日球层之外，星际等离子体也不会穿透到日球层之内。然而，太阳风的速度在这里并没有下降到零，而是扭转了方向，它的流动发生了逆转，在物理上形成了两种环境之间的界面。太阳风从内部绕着日光顶流动，而星际等离子体则在外部流动。日球层顶不是一个点，而是一个具有未闭合形状的表面：从迎面而来的星际等离子体流的侧面看，它类似于一个球体，从相反的角度来看，它有一条长长的尾巴。

当越过日球层顶时，可以观察到介质参数的变化，包括磁场。日球层充满了太阳风等离子体和它自己的磁场，而在日球层外有星际等离子体、星际质子与电子和星际磁场。

在离恒星这么远的地方，太阳磁场的力线是什么样子的？

打一个比方，人们可以想象太阳是一个偶极子。然后，太阳在其轴上旋转，这就是为什么从它发出的磁场线扭曲成螺旋的原因。还有必要考虑到磁场被“冻结”到等离子体中，也就是说，在这种情况下，它与太阳风有关。因此，磁场随着带电粒子流从恒星飞离而传播。

在第一个边界，日球层冲击层表现出磁场的变化，但只是它略微增加，场线转移，它们的方向改变。然而，这些变化在理论模型中得到了很好的描述，所以在这个意义上，旅行者号的数据并没有给人带来惊喜。

但在日光层的边缘会发生什么？

在第二个边界附近，磁场线变得非常频繁，磁场呈现出相当复杂的结构。当时人们认为，外部的磁场不应以任何方式与内部的磁场相连，因此他们预计在穿过日球层顶时磁场方向会发生急剧变化。

日球层顶外的第一个现场数据来自旅行者1号，当时它在2012年穿越了日球层顶。事实证明，场内和场外的方向是差不多的。这是出乎意料的，甚至让人怀疑所宣称的穿越日光层的真实性。航天器还注意到场面的快速增长，约为1.5倍。现在旅行者2号已经证实了这些结果：在测量误差范围内，穿过日球层顶时磁场的方向不会改变。

相对于之前从旅行者1号那里知道的数据，旅行者2号获得了哪些新数据？

最重要的是，旅行者2号有直接测量等离子体参数的仪器，它的密度和速度，从中也可以估计出温度。旅行者1号没有这个仪器，它从1980年起就已经坏了。因此，当旅行者1号越过日光层时，对这些数量的所有测量都是间接的，该设备只测量了磁场和粒子通量。在旅行者2号上，这些仪器都在工作，所以有明显更多的数据。我们现在确切地知道了太阳风在接近日光顶时的表现，这些数据对正在建立适当模型的理论家来说是很有用的。

大家或许认为，在太阳系中，距离太阳愈远，温度越低，比如冥王星的表面温度大约在-238到-218℃之间。可是在太阳风泡的边界可能会出现例外。运行中的仪器使旅行者2号能够估计出日光层外等离子体的温度，结果是3-5万开尔文高温。这一信息是新的和有趣的，因为现有的数字模型给出了不同的温度，现在有可能使用测量数据来验证模型。

根据旅行者2号的数据，刚过日球层顶的受干扰星际等离子体中的质子浓度为每立方厘米0.039个粒子，而旅行者1号测得的是0.055个。这与理论上的估计基本一致。相对于外日光层每立方厘米0.002个颗粒的典型值，密度增加了约20倍。

在已发表的文章中，没有关于直接测量日球层顶后面的等离子体速度和密度的数据，这与技术问题和探针方向不成功有关。也许在未来，科学家们将能够进行这些测量。

由于这些航天器的存在，我们知道了到日球层顶的距离：旅行者1号为121.6天文单位，旅行者2号为119.7天文单位。这个差异是由于探测器方向的不同，可以用来估计日球层形状的不对称性。

这些卫星测量了日球层外的磁场，旅行者1号显示0.49纳特斯拉，旅行者2号显示0.68纳特斯拉。这也是一个有趣的新事实，理论家将试图根据数值模拟来解释。这种差异是由于紧跟在日光顶后面的星际介质受到扰动，仍然感受到太阳风的影响，所以日光顶的不同部分的场值可能有所不同。

另外，当旅行者1号越过日球层时，它发现一些高能量的星际粒子，连同外部磁场一起，正在向日光层内部轻微渗透。事实证明，日球层边界不是很薄，有一些结构具有明显的厚度。

旅行者2号的情况正好相反：在它的情况下，日球层足够薄，它在不到一天的时间内就越过了日球层，在日球层之外，它探测到了太阳源性粒子的通量，这是由它们的能量决定的，这些能量低于预期。

也就是说，在旅行者1号旁边，星际粒子在日球层顶内移动，而旅行者2号则在外面探测到太阳粒子。这些都是来自直接测量的数据。它们是通过模型计算来解释的，但在这些作品中，情况并非如此，他们专门致力于测量。

从所获得的数据中，还有什么不能在模型中再现的吗？

第一个问题是在旅行者1号之后出现的，现在也是如此，是日球层的遥远程度。所有可用的模型都预测，到这个边界的距离比旅行者测得的要大。因此，它比预测的要近得多。这是对旅行者1号穿越日球层顶的真实性产生怀疑的另一个原因。"旅行者2号 "证实了其同事的结果，并得出了更可靠的结论，因为它有直接测量等离子体参数的仪器。它们显示的距离大致相同，约为120个天文单位，而预期为140-150。

第二，当然是星际介质的参数。旅行者2号在接近日球层顶时精确测量了太阳风的特征，以及紧随其后的磁场，这是需要分析并与模型进行比较的独特信息。现有模型并不能解释一切。它们通常很好地再现单个方面：例如，仅磁场或仅速度。到目前为止，还没有一个模型能够描述整个数据集。

总结这些工具所收集的数据，我们可以如何制定结果？

最重要的是，旅行者2号已经越过了日球层，并证实它存在的距离与旅行者1号之前表明的距离差不多。重要的是要理解，在旅行者1号的情况下，人们对跨越这一门槛的现实性存在疑问。然而，现在没有这样的疑问了，因为旅行者2号携带了一个可以直接测量环境的仪器。我们已经直接了解到了刚过日光顶的等离子体的特性--磁场、浓度和温度。我们还获得了日球层顶前的等离子体参数的精确数据，这是旅行者1号由于设备故障而无法收集的。

这些测量是独特的，如果只是因为我们以前没有过这样的事情，而且在未来很多年也不会有。

最后希望我们国家也尽快放出自己的风筝，以风筝之线为始，以彩虹之海为终。