2018年12月美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的旅行者2號(hào)(Voyager 2)宇宙飛船以其姊妹“旅行者1號(hào)”(Voyager 1)為榜樣，進(jìn)入了星際空間（即飛出太陽(yáng)系）。目前包括“旅行者”號(hào)在內(nèi)，只有五艘宇宙飛船能夠飛出如此巨大的空間。剩下的三分別是先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)，以及新視野號(hào)，那么下一個(gè)飛出太陽(yáng)系的宇宙飛船將是？這個(gè)里程碑（到達(dá)星際空間）可以被認(rèn)為是離開(kāi)了太陽(yáng)系，讓我們弄清楚這意味著什么。1990年《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道說(shuō)：先驅(qū)者在飛越海王星軌道時(shí)離開(kāi)了太陽(yáng)系。然而旅行者2號(hào)的科學(xué)家們并不是用它來(lái)做決定的。

博科園-科學(xué)科普：相反最近的測(cè)量認(rèn)為，太陽(yáng)的日球頂(理論上的日球?qū)舆吔?交叉是進(jìn)入星際空間的決定因素。日球?qū)邮怯山?jīng)過(guò)太陽(yáng)帶電粒子形成的氣泡，科學(xué)家們用它來(lái)標(biāo)記星際空間的起點(diǎn)。但是日球?qū)邮菑?fù)雜的，它隨著太陽(yáng)22年的太陽(yáng)周期而變化，隨著太陽(yáng)風(fēng)的收縮和增長(zhǎng)，并沿著恒星的運(yùn)行方向向太陽(yáng)后方伸展。

從地球上測(cè)量并不容易。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)星際邊界探測(cè)器(IBEX)任務(wù)正在努力遠(yuǎn)程確定氣泡的邊緣。旅行者號(hào)探測(cè)器的觀(guān)測(cè)表明，它們已經(jīng)穿透了這個(gè)氣泡。然而由于研究人員認(rèn)為太陽(yáng)也被奧爾特云(Oort Cloud)所包圍，這是一片由冰體組成的區(qū)域，據(jù)估計(jì)其范圍從1000到10萬(wàn)個(gè)天文單位不等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽(yáng)頂層。

旅行者2號(hào)探測(cè)器穿越太陽(yáng)系的畫(huà)面，圖片：NASA

旅行者號(hào)探測(cè)器不能被認(rèn)為完全脫離太陽(yáng)系(一個(gè)天文單位或AU，是地球和太陽(yáng)之間的距離——9300萬(wàn)英里或1.5億公里)。當(dāng)旅行者1號(hào)和2號(hào)穿越太陽(yáng)風(fēng)頂時(shí)，他們?nèi)匀辉诠ぷ鞯牧Ｗ觾x器揭示了這一歷史事件。日球?qū)悠鹬帘巫饔茫瑩踝×似渌阈前l(fā)出的宇宙射線(xiàn)所產(chǎn)生的許多高能粒子。通過(guò)跟蹤在太陽(yáng)系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的低能粒子和來(lái)自太陽(yáng)系外部的高能粒子，這些儀器可以揭示宇宙射線(xiàn)的突然激增，提醒科學(xué)家宇宙飛船已經(jīng)離開(kāi)了太陽(yáng)系。那么下一個(gè)進(jìn)入星際空間的宇宙飛船是什么呢？

詳細(xì)信息

日球?qū)硬粩嘧兓男再|(zhì)使得我們無(wú)法判斷先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)什么時(shí)候進(jìn)入星際空間，可能他們中的一個(gè)可能已經(jīng)…。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)《超越地球:深空探索編年史》(Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration)，截至2017年11月5日，先驅(qū)者10號(hào)距離地球約118.824天文單位，是除旅行者1號(hào)以外距離地球最遠(yuǎn)的航天器。

然而當(dāng)先驅(qū)者11號(hào)和旅行者2號(hào)都朝著太陽(yáng)表面的運(yùn)行方向前進(jìn)時(shí)，先驅(qū)者10號(hào)卻朝著后面的方向前進(jìn)。根據(jù)2017年的研究，日球?qū)拥奈膊烤嚯x太陽(yáng)約220 AU。由于先驅(qū)者10號(hào)每年的行程約為2.5 AU，因此先鋒需要大約2057年(40年)的時(shí)間才能到達(dá)不斷變化的邊界。

太陽(yáng)系日球?qū)颖Ｗo(hù)我們的行星免受宇宙輻射。它不斷變化的形狀使得人們很難預(yù)測(cè)宇宙飛船什么時(shí)候會(huì)越過(guò)邊界進(jìn)入星際空間。圖片：NASA/Goddard

截至2017年11月5日，“先驅(qū)者11號(hào)”距離地球約為97.6AU。與它的孿生兄弟不同的是，宇宙飛船的運(yùn)行方向與旅行者號(hào)大致相同。旅行者2號(hào)以120天文單位進(jìn)入星際介質(zhì)。由于先驅(qū)者11號(hào)以每年2.3 AU的速度飛行，它應(yīng)該會(huì)在2027年左右的未來(lái)10年進(jìn)入星際空間——假設(shè)邊界不會(huì)改變，它很可能會(huì)改變。

那，三艘宇宙飛船中最新的一艘新地平線(xiàn)號(hào)（新視野號(hào)）呢？2019年1月1日，這艘宇宙飛船進(jìn)行了最近一次飛越太陽(yáng)系天體的飛行，發(fā)射時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于其他四次。在飛越期間，“新地平線(xiàn)”距離太陽(yáng)43天文單位。這次任務(wù)的首席研究員艾倫·斯特恩(Alan Stern)說(shuō)：飛船每年飛行3.1個(gè)天文單位，或者說(shuō)10年內(nèi)飛行31個(gè)天文單位。

再過(guò)20年，飛船有相當(dāng)大的機(jī)會(huì)進(jìn)入星際空間。如果“新地平線(xiàn)”號(hào)越過(guò)旅行者2號(hào)的相同邊界(它不會(huì)，但只是作為基線(xiàn)來(lái)考慮)，它將在2043年，也就是不到24年的時(shí)間里完成這趟旅程。但I(xiàn)SM的這條線(xiàn)有可能向內(nèi)移動(dòng)，允許更快地越過(guò)。雖然我們無(wú)法直接確認(rèn)“新地平線(xiàn)”號(hào)是否與“先驅(qū)者”號(hào)宇宙飛船一起穿越太陽(yáng)風(fēng)頂，但它仍有可能繼續(xù)發(fā)揮作用，并將提供星際空間的詳細(xì)研究。它攜帶的粒子探測(cè)器比旅行者號(hào)上發(fā)現(xiàn)的粒子探測(cè)器強(qiáng)大得多。此外“新視野”號(hào)還攜帶了一個(gè)灰塵探測(cè)器，它可以提供對(duì)日球?qū)右酝鈪^(qū)域的觀(guān)察。在星際介質(zhì)中放置一個(gè)塵埃探測(cè)器將是一次非常寶貴的經(jīng)歷。

由太陽(yáng)風(fēng)形成的日球?qū)邮且粋€(gè)大氣泡，它保護(hù)太陽(yáng)系免受外部危險(xiǎn)的星系輻射，圖片：NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

但無(wú)論它們是否還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，情況都將非常嚴(yán)峻。斯特恩認(rèn)為，功率是限制因素?！靶碌仄骄€(xiàn)”號(hào)的燃料是衰變的二氧化钚。目前，這艘宇宙飛船有足夠的動(dòng)力工作到本世紀(jì)30年代末，目前運(yùn)行狀況良好。如果不斷變化的日球?qū)颖３朱o止(這不大可能發(fā)生)，先驅(qū)者11號(hào)將在2027年成為下一個(gè)穿過(guò)日球頂?shù)?，接著?043年的新地平線(xiàn)號(hào)?！跋蠕h10號(hào)”是五艘發(fā)射飛船中的第一艘，將于2057年最后離開(kāi)日球?qū)?。同樣，這假設(shè)了在未來(lái)40年里日冕頂保持靜止的極端不現(xiàn)實(shí)的可能性。

做“通行證”

“先驅(qū)者10號(hào)”和“先驅(qū)者11號(hào)”上都有一塊銘牌，銘牌上的設(shè)計(jì)被鐫刻在飛船天線(xiàn)支撐支柱上的鍍金陽(yáng)極化鋁板上，以幫助飛船免受星際塵埃的侵蝕。圖片：NASA

如果你對(duì)宇宙飛船在長(zhǎng)跑比賽中什么時(shí)候會(huì)“超過(guò)”對(duì)方感興趣，大衛(wèi)·克蘭諾在他的博客中計(jì)算出了這些數(shù)字，沒(méi)有比這更強(qiáng)大的了?？颂m諾在航天工業(yè)工作，從未參與過(guò)這五次任務(wù)中的任何一次。

需要說(shuō)明的是，這些航天器都在不同的路徑上運(yùn)行，所以它們不會(huì)像在公路上運(yùn)行那樣彼此擦身而過(guò)。相反，隨著時(shí)間的推移，距離地球最遠(yuǎn)和最近的行星將會(huì)發(fā)生變化?？颂m諾說(shuō)：我一直對(duì)旅行者號(hào)和先驅(qū)者號(hào)很感興趣，我只是好奇，當(dāng)一些文章提到‘新地平線(xiàn)號(hào)’比先驅(qū)者號(hào)走得更快時(shí)，他們什么時(shí)候會(huì)相遇。

利用有限的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)“旅行者1號(hào)”在1982年至1983年間超過(guò)了“先驅(qū)者11號(hào)”。估計(jì)“旅行者2號(hào)”在1988年3月左右超過(guò)了“先驅(qū)者11號(hào)”，盡管速度和方向的變化表明它可能更快。由于“新地平線(xiàn)”號(hào)通過(guò)“先驅(qū)者10號(hào)”和“11號(hào)”都是在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，因此這些數(shù)字的誤差幅度將非常大。然而根據(jù)截至2017年12月的每艘飛船的飛行速度，計(jì)算出“新視野號(hào)”將在2113年超過(guò)“先驅(qū)者11號(hào)”，直到2187年才會(huì)超過(guò)“先驅(qū)者10號(hào)”。

2019年1月1日美國(guó)宇航局的新地平線(xiàn)號(hào)宇宙飛船飛過(guò)柯伊伯帶的終極目標(biāo)圖拉，這是歷史上最遠(yuǎn)的一次行星飛行。圖片：Adrian Mann/All About Space

博科園-科學(xué)科普｜文: Nola Taylor Redd/Space

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