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继旅行者2号后,下一个飞出太阳系的宇宙飞船将会是?

2018年12月美国国家航空航天局(NASA)的旅行者2号(Voyager 2)宇宙飞船以其姊妹“旅行者1号”(Voyager 1)为榜样,进入了星际空间(即飞出太阳系)。目前包括“旅行者”号在内,只有五艘宇宙飞船能够飞出如此巨大的空间。剩下的三分别是先驱者10号和11号,以及新视野号,那么下一个飞出太阳系的宇宙飞船将是?这个里程碑(到达星际空间)可以被认为是离开了太阳系,让我们弄清楚这意味着什么。1990年《纽约时报》报道说:先驱者在飞越海王星轨道时离开了太阳系。然而旅行者2号的科学家们并不是用它来做决定的。

博科园-科学科普:相反最近的测量认为,太阳的日球顶(理论上的日球层边界)交叉是进入星际空间的决定因素。日球层是由经过太阳带电粒子形成的气泡,科学家们用它来标记星际空间的起点。但是日球层是复杂的,它随着太阳22年的太阳周期而变化,随着太阳风的收缩和增长,并沿着恒星的运行方向向太阳后方伸展。

从地球上测量并不容易。美国国家航空航天局(NASA)星际边界探测器(IBEX)任务正在努力远程确定气泡的边缘。旅行者号探测器的观测表明,它们已经穿透了这个气泡。然而由于研究人员认为太阳也被奥尔特云(Oort Cloud)所包围,这是一片由冰体组成的区域,据估计其范围从1000到10万个天文单位不等,远远超出了太阳顶层。

旅行者2号探测器穿越太阳系的画面,图片:NASA

旅行者号探测器不能被认为完全脱离太阳系(一个天文单位或AU,是地球和太阳之间的距离——9300万英里或1.5亿公里)。当旅行者1号和2号穿越太阳风顶时,他们仍然在工作的粒子仪器揭示了这一历史事件。日球层起着屏蔽作用,挡住了其他恒星发出的宇宙射线所产生的许多高能粒子。通过跟踪在太阳系内部发现的低能粒子和来自太阳系外部的高能粒子,这些仪器可以揭示宇宙射线的突然激增,提醒科学家宇宙飞船已经离开了太阳系。那么下一个进入星际空间的宇宙飞船是什么呢?

详细信息

日球层不断变化的性质使得我们无法判断先驱者10号和11号什么时候进入星际空间,可能他们中的一个可能已经…。根据美国国家航空航天局(NASA)《超越地球:深空探索编年史》(Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration),截至2017年11月5日,先驱者10号距离地球约118.824天文单位,是除旅行者1号以外距离地球最远的航天器。

然而当先驱者11号和旅行者2号都朝着太阳表面的运行方向前进时,先驱者10号却朝着后面的方向前进。根据2017年的研究,日球层的尾部距离太阳约220 AU。由于先驱者10号每年的行程约为2.5 AU,因此先锋需要大约2057年(40年)的时间才能到达不断变化的边界。

太阳系日球层保护我们的行星免受宇宙辐射。它不断变化的形状使得人们很难预测宇宙飞船什么时候会越过边界进入星际空间。图片:NASA/Goddard

截至2017年11月5日,“先驱者11号”距离地球约为97.6AU。与它的孪生兄弟不同的是,宇宙飞船的运行方向与旅行者号大致相同。旅行者2号以120天文单位进入星际介质。由于先驱者11号以每年2.3 AU的速度飞行,它应该会在2027年左右的未来10年进入星际空间——假设边界不会改变,它很可能会改变。

那,三艘宇宙飞船中最新的一艘新地平线号(新视野号)呢?2019年1月1日,这艘宇宙飞船进行了最近一次飞越太阳系天体的飞行,发射时间远远晚于其他四次。在飞越期间,“新地平线”距离太阳43天文单位。这次任务的首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)说:飞船每年飞行3.1个天文单位,或者说10年内飞行31个天文单位。

再过20年,飞船有相当大的机会进入星际空间。如果“新地平线”号越过旅行者2号的相同边界(它不会,但只是作为基线来考虑),它将在2043年,也就是不到24年的时间里完成这趟旅程。但ISM的这条线有可能向内移动,允许更快地越过。虽然我们无法直接确认“新地平线”号是否与“先驱者”号宇宙飞船一起穿越太阳风顶,但它仍有可能继续发挥作用,并将提供星际空间的详细研究。它携带的粒子探测器比旅行者号上发现的粒子探测器强大得多。此外“新视野”号还携带了一个灰尘探测器,它可以提供对日球层以外区域的观察。在星际介质中放置一个尘埃探测器将是一次非常宝贵的经历。

由太阳风形成的日球层是一个大气泡,它保护太阳系免受外部危险的星系辐射,图片:NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

但无论它们是否还能正常运转,情况都将非常严峻。斯特恩认为,功率是限制因素。“新地平线”号的燃料是衰变的二氧化钚。目前,这艘宇宙飞船有足够的动力工作到本世纪30年代末,目前运行状况良好。如果不断变化的日球层保持静止(这不大可能发生),先驱者11号将在2027年成为下一个穿过日球顶的,接着是2043年的新地平线号。“先锋10号”是五艘发射飞船中的第一艘,将于2057年最后离开日球层。同样,这假设了在未来40年里日冕顶保持静止的极端不现实的可能性。

做“通行证”

“先驱者10号”和“先驱者11号”上都有一块铭牌,铭牌上的设计被镌刻在飞船天线支撑支柱上的镀金阳极化铝板上,以帮助飞船免受星际尘埃的侵蚀。图片:NASA

如果你对宇宙飞船在长跑比赛中什么时候会“超过”对方感兴趣,大卫·克兰诺在他的博客中计算出了这些数字,没有比这更强大的了。克兰诺在航天工业工作,从未参与过这五次任务中的任何一次。

需要说明的是,这些航天器都在不同的路径上运行,所以它们不会像在公路上运行那样彼此擦身而过。相反,随着时间的推移,距离地球最远和最近的行星将会发生变化。克兰诺说:我一直对旅行者号和先驱者号很感兴趣,我只是好奇,当一些文章提到'新地平线号’比先驱者号走得更快时,他们什么时候会相遇。

利用有限的数据,发现“旅行者1号”在1982年至1983年间超过了“先驱者11号”。估计“旅行者2号”在1988年3月左右超过了“先驱者11号”,尽管速度和方向的变化表明它可能更快。由于“新地平线”号通过“先驱者10号”和“11号”都是在遥远的将来,因此这些数字的误差幅度将非常大。然而根据截至2017年12月的每艘飞船的飞行速度,计算出“新视野号”将在2113年超过“先驱者11号”,直到2187年才会超过“先驱者10号”。

2019年1月1日美国宇航局的新地平线号宇宙飞船飞过柯伊伯带的终极目标图拉,这是历史上最远的一次行星飞行。图片:Adrian Mann/All About Space

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