太阳系边际探测：人类认识宇宙的新窗口
来源： 中国航天报 发布时间：2022-10-11
太阳系是在太阳强大引力作用下，由太阳、8大行星、近500个卫星和超过120万个小行星，众多矮行星、彗星以及行星际介质等组成的庞大天体系统，所有天体都围绕太阳运转。
太阳系示意图
随着人类深空探测能力的不断提升，认识宇宙的手段越来越丰富，范围越来越广，太阳系边界探测已经成为人类航天活动的重要方向，成为人类认识宇宙的新窗口。太阳系的边界在哪里？边界之外是怎样的新世界？到达太阳系边界又需要克服哪些难题？
太阳系的边界在哪里
1977年，美国发射旅行者１号、２号探测器，在完成预定行星探索任务后，开始向太阳系边界出发。2012年8月，旅行者1号在距太阳约121au（1au为日地平均距离，1.5×108公里）、距地球约190亿公里处飞出日球层，成为第一颗进入星际空间的探测器。随后，旅行者2号在2018年12月超越日球层顶，进入星际空间。
日球层顶和星际空间都是与太阳系边界有关的概念，它们有什么含义？太阳系的边界离我们有多远？
对太阳系边界，科学家们提出了3种定义。第一种是以行星轨道为界，从太阳延伸到海王星，直径约30au，是范围最小的边界。
这个边界并不固定。2006年，国际天文学联合会把冥王星从行星队伍里踢了出去，使太阳系范围一下子缩小约三分之一。2016年，科学家们发现柯伊伯带6颗天体运行轨道异常的现象，推测那里可能存在第9大行星，如果在未来真实观测到这颗行星，太阳系边界将有很大扩展。
第二种定义是以日球层顶为界，这也是两颗“旅行者”曾经抵达的地方。
根据人类对太阳和宇宙空间的观测，太阳持续不断地向外喷射超声速带电粒子流，形成横扫空间的太阳风；另一方面，广阔无垠的宇宙空间，充斥着各种原子、分子和尘埃等低温星际介质。太阳风在吹开星际介质的同时逐渐减速，最终达到平衡。整个过程就像是太阳在银河系用力吹出来一个磁化等离子体“大气泡”，这个大气泡就是日球层。
受太阳活动强度周期变化的影响，太阳风的强度也不断改变，所以日球层的形状和范围并不固定。以日球层定义的太阳系边界，距太阳约80～150au，旅行者1号和2号用了近40年的时间抵达这里。
第三种定义是以太阳引力范围为界。日球层之外，仍有广阔范围的天体绕太阳运行，这个边界距离太阳大约5万～10万au，最远处是奥尔特云，一个装满了彗星的“大仓库”。引力边界是范围最大的太阳系边界，到太阳有1光年的距离。
太阳系范围如此广阔，在太阳系与其他恒星系之间，还有更加广阔的星际空间，弥漫着稀薄的中性粒子、等离子体、宇宙尘埃等星际物质。2013年3月，旅行者1号探测附近空间的等离子体密度提升了40多倍，科学家们由此判断它飞出日球层，进入了星际空间。
挑战人类未知，探索无垠边界
迄今，人类已经向太空中发射数千颗航天器，其中绝大多数运行在地球轨道，有100多颗飞出地月系，探测太阳、其他行星和小天体，还有寥寥数颗踏上更远的旅程，飞往太阳系边际。它们是先驱者10号、11号，旅行者1号、2号和新视野号。
先驱者10号、11号分别在1972和1973年发射。先驱者10号首次成功穿越火星和木星之间的小行星带，飞掠木星，并利用木星的引力加速，在1983年飞出海王星轨道。受能源限制，2003年它与地球通信中断时，已经飞到距太阳80au的位置，并继续沿着远离银河系中心的方向前进。
先驱者11号在1974年掠过木星，利用木星引力飞往土星，之后依次穿越土星光环和海王星轨道，并朝银河系中心方向前进。它在1995年与地球通信中断，与太阳距离43au。
有了先驱者号的探索，旅行者号的旅程更加顺利。旅行者1号先后到访木星、土星，对土星环和土卫六大气层进行了详细探测。它装有3枚核电池，可以支撑与地球通信到2025年，而它在星际空间的旅程还要持续4万年，才能进入下一个恒星“气泡”。
旅行者2号有另一番传奇经历，它幸运地赶上了176年一遇的“四星联游”窗口，一次实现对木星、土星、天王星和海王星的飞越探测。
新视野号探测器发射于新世纪，在2006年进入轨道，2015年飞越冥王星。它以每年3.4au的高速飞行，预计在2030年飞临日球层边际，只花费24年时间，是人类最快的探测器。
太阳系边界极其遥远、极其寒冷、极其黑暗，充满神秘和未知，是目前人类技术能力的极限。太阳系边界也蕴藏着重要秘密和宝藏，这里是保护太阳系免遭银河宇宙射线潜在危害的第一道“防线”，保留着太阳系诞生早期的信息。
太阳风在日球层的传播和演化机制是怎样的？行星际尘云都保留着生命诞生和太阳系最初的哪些线索？对太阳系边界的探测将开启人类认识宇宙的新窗口，答案将在未来逐渐揭晓。
太阳系边界探测需要哪些技术
太阳系边界探测对航天技术提出了更高要求，需要提升极端环境下材料、仪器、电子元器件等基础技术水平，突破轨道设计、新型高效能源与推进技术、超远距离测控通信、新型科学载荷等尖端空间技术。
太阳系边界探测距离遥远，时间漫长，一方面需要探测器的能源系统可以保持长期稳定工作，另一方面与太阳距离越远，探测器可以获取的太阳能也越少，需要解决极暗条件下的供电问题。
目前核电池是解决能源问题的重要途径。核电池自主发电，能量密度高，使用寿命长，现在放射性同位素温差电源（rtg）发展比较成熟，使用钚-238作原料，核电池的半衰期长达88年，旅行者1号、2号的电源寿命都超过40年。核电池的一个重要方向是发展空间核反应堆电源，比同位素电源功率大、价格便宜，未来技术成熟后会整体提升探测器的性能。
探测器飞出数十亿公里仍与地面不断线，靠的是深空测控通信系统，能够有效控制探测器的飞行，持续把珍贵的科学数据传回地球。探测器与地球距离越远，通信信号越衰弱，时延增加，需要设计更高效的信道编码技术，突破超远距离极弱信号捕获与跟踪，研制大口径地面天线组阵和大功率发射机，使地球测控能力覆盖太阳系，有效支持任务开展。
长期飞行探测也对探测器寿命提出更高要求。地球轨道卫星的寿命通常在10～15年，深空探测器要在恶劣的太空环境中飞行工作数十年，对使用材料、元器件、系统自主管理和故障诊断处理技术都提出更加严峻的挑战，这些都需要一步一步解决问题。
太阳系边界存在很多未知，要求探测器功能多、性能强，装备先进而丰富的科学载荷，开展多类型多要素探测。科学载荷不仅要在探测精度和范围、高灵敏度、轻小型化等方面不断提升，还要尽量降低功耗，压缩数据，确保探测器发挥最大价值。
太阳系边界探测涉及多个尖端领域的大量技术难题，将牵引人类航天技术能力迈上新台阶，实现科技水平与创新能力的新提升。（作者：杨诗瑞）
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