光明網-《光明日報》

在人類仰望群星數千年的歷史中，以及人類數十年來發射探測器探索宇宙的過程中，只有兩艘航天器帶著運作的科學儀器，成功逃出了太陽在星際空間中吹出的“泡泡”。這對“旅行者”號航天器均于1977年發射，各自開啟了一段史詩般的外行星探測之旅。兩艘探測器都飛掠了木星和土星，“旅行者”2號的足跡還涵蓋了天王星和海王星。自那以后，兩個探測器一直在探索更遙遠的深空，盡管面臨老化及電力減少的挑戰，它們搭載的多臺儀器仍在持續觀測。2004年，“旅行者”1號抵達終端激波（當太陽風接觸到星際介質后開始減速的區域，是受太陽影響的空間中最外圍的邊界），開始向星際空間過渡，這一旅程長達數年時間。“旅行者”2號也于2007年越過這一邊界。

自那以后的歲月里，這兩艘航天器一直為我們提供著獨家視野，使我們得以一瞥太陽對星際空間施加影響力的邊界，以及更遙遠的區域——科學家將這里稱為日球層。“旅行者”號的發現揭示出關于外日球層和星際空間的無數新謎題。這兩艘著名航天器的壽命已臨近終年，科學家正在努力尋找新方法，繼續研究這一領域的未解之謎。

美國波士頓大學的空間物理學家梅拉夫·奧芬說：“我們對日球層知之甚少。它比我們想象的要復雜得多，也更具活力。”

身在此山中

大多數地球上的人類或許會把太陽想象成一個致密的大光球，部分原因是我們厚實的大氣層阻擋了來自這顆恒星最致命的威脅。但實際上，太陽是一團熾熱滾燙的磁性等離子體，以太陽風的形式將粒子輻射到數億千米外的太空中。隨著太陽風的傳播，太陽磁場也會影響行星之間的空間。日球層也會隨著太陽活動水平11年的變化周期而膨脹或收縮。

美國普林斯頓大學的空間物理學家、“旅行者”號任務的副項目科學家杰米·蘭金說：“在整個日球層內，你都能明顯看到以11年為周期的起起落落，就像重復著一場起承轉合的大戲。”她還指出，各個研究方向的天文學家都被困在這種混亂的背景輻射中，這會影響他們的數據和解釋。蘭金說：“直到‘旅行者’號穿越日球層頂之前，我們（對星際介質）的每一次測量結果都經過了太陽不同圈層的過濾。”

“旅行者”號之所以聲名遠揚，也正是因為把握住了突發的契機。這對雙子航天器發射時，其設計目的是利用每176年一次的罕見行星位置排列，以極高的經濟性一次性飛掠木星、土星、天王星和海王星全部四顆外行星。

“旅行者”號發現木星的衛星木衛一是一個煉獄般的火山世界，與地球的死氣沉沉的灰色衛星完全不同。“旅行者”1號勘測了土星最大的衛星土衛六及其濃密的大氣層，確認其主要成分與地球大氣層一樣，都是氮氣。“旅行者”2號是第一艘，也是迄今唯一一艘飛掠天王星和海王星的航天器，它發現了兩顆行星表面的超高速風、共計十幾顆衛星和六層新光環，以及天王星奇怪的傾斜磁場與海王星的風暴系統“大黑斑”。太陽系在我們眼中的樣貌從此徹底改變。

甚至在發射之前，“旅行者”號任務飽含的詩意就已然顯現。在天文學家卡爾·薩根的率先提議下，每艘航天器上都配有一張金唱片，這對宇宙中其他可能存在的智慧生命是一種象征性表達。每張唱片都能抵御星際空間中的各種威脅，其中編碼了我們在宇宙中的位置圖、地球上日常生活的照片，以及無數種語言的問候和歌曲。當幾個世紀以后，任何一種文明偶然發現漂流的航天器時，都會看到一幅充滿友好與愛的人類畫卷。

在前往星際空間的旅途中，“旅行者”號不得不跨越一系列邊界：首先是距離太陽約110億至130億千米的終端激波，太陽風在此處突然開始減速；然后是日球層頂，此處太陽風向外的壓力等于星際介質向內的壓力。在這兩個明顯的邊界之間的區域是日球層鞘，其中太陽物質的流速繼續減緩，甚至方向反轉。“旅行者”1號也花了近8年才完全穿越這些邊界，它甚至還是雙子探測器中速度更快的那個——可見涉足的空間之大。

“旅行者”1號于2012年越過日球層頂進入星際空間，“旅行者”2號則于2018年抵達。星際空間與日球層內部的環境截然不同：這里更寧靜，但絕非靜止。蘭金在談到星際介質時說：“這是太陽系誕生時所處環境的遺跡。”其中有被稱為銀河宇宙射線的高能亞原子粒子，以及宇宙中垂死恒星拋出的氣體塵埃等成分。

星際介質在銀河系中各處并不相同，密度較高和較低的區域沿著銀河系旋臂交替排列。太陽和它吹出的氣泡在其間穿行，太陽活動和星際介質之間的相互作用則影響著日球層的形狀。

然而，科學家還不清楚日球層的具體形狀。日球層的形狀可能類似于彗星，拖著一條長長的尾巴，有著緊湊的核心區域，太陽攜著它們擠過星際空間。或者，太陽磁場和星際介質之間的相互作用將氣泡塑造成牛角面包的形狀，有兩瓣包層遠離恒星深入星際空間的結構。日球層的形態也可能是科學家從未考慮過的樣子，站在地球的有限視角上，我們很難研究明白。以色列魏茨曼科學研究所的空間物理學家薩拉·斯皮策說：“打個比方，我們就好像是金魚，試圖從金魚缸內部測量它的形狀，而我們甚至無法到達魚缸邊緣。”

“旅行者”號則是例外。它們已在1989年完成了行星探測和其他主要任務，但狀況依然良好。美國航空航天局（NASA）讓它們繼續工作，只是關閉了那些僅能通過觀測行星產出有趣數據的儀器。歲月流逝，“旅行者”號一直向外跋涉，游向我們所處的宇宙金魚缸的邊緣。

星際邊界

但金魚們可沒有閑著。2008年，NASA發射了“星際邊界探測器”（IBEX），該探測器環繞地球運行，對從日球層邊緣流入的高能中性原子進行采樣。科學家可以用IBEX測量這些粒子的性質，以此來重構數十億千米外的發生的事情。

IBEX的主要貢獻之一是發現了一條橫跨日球層鞘的高能中性原子帶。科學家認為，這一條帶可能是由在日球層內外反彈的粒子引起的。但“旅行者”號卻遭遇“宇宙級”的壞運氣，它們從條帶結構的兩側飛掠而過，無法直接研究IBEX發現的條帶。普林斯頓大學的空間物理學家、IBEX首席研究員戴維·麥科馬斯說：“外日球層中最大、最耀眼的東西正好在它們之間。”

即使是太陽這種影響甚遠的龐大系統，也正在經歷類似情形，這反映出我們依然在依賴局部觀測，在認知上有局限性。麥科馬斯說：“‘旅行者’號就像是在給日球層做活體檢查。僅憑兩組點的數據，我們對外日球層的三維結構依然一無所知。”

IBEX仍在觀測，任務持續時間已遠遠超出最初的計劃。這艘航天器已經設法在整個11年的太陽活動周內收集數據，以觀察日球層如何響應太陽活動。但麥科馬斯也在全力籌備另一項由他主導的任務，計劃于今年秋天發射。他將星際測繪和加速探測器（IMAP）任務形容為“增強版IBEX”，兩者基本功能相同，但前者分辨率更高，觀測內容更豐富。

IMAP將前往科學家所說的日地拉格朗日L1點，這條穩定的繞日軌道在日地連線上，比地球更靠近太陽160萬千米。在這個有利位置，探測器能捕獲大量粒子：有的是與揭示IBEX條帶同一性質的高能中性原子；也有拾起離子，它們最初是星際介質中的原子，在太陽附近拾起電荷，然后反向返回日球層頂；還有的是潛入太陽系的星際塵埃顆粒，它們來自衰亡恒星的遺骸。同時，探測器還將觀測太陽的磁場和太陽風的結構，以揭示粒子運動方式背后的原因。IMAP任務科學家希望繪制出一張更清晰的日球層全圖，和日球層外更明晰的景象。

其他科學家正計劃直接從該區域收集更多觀測數據。另一艘航天器也正跟隨著“旅行者”號的腳步離開日球層：那就是于2015年飛掠冥王星的“新視野”號。它完成了對冥王星系統的研究，并在2019年探測了一個更遙遠的柯伊柏帶天體，名為“天涯海角”。“新視野”號有望在大約十年后穿越日球層頂。科學家希望到那時它的儀器仍能正常工作，為人類第三次探索太陽勢力范圍之外的世界做好準備。

科學家還規劃了一個名為“星際探測器”的任務，與“旅行者”號和“新視野”號不同，該任務專為點亮人類對日球層及更遠區域的視野而設計。它將由一枚重型火箭發射，快速飛離太陽系，搭載的設備專注于研究等離子體和磁場，而非行星。理想情況下，它將航行得足夠遠，此時回望就能分辨出日球層難以捉摸的形狀。但是，在NASA最近發布的《太陽物理學十年調研》中，該任務并沒有被列為美國太陽物理學未來十年內的優先項目，而這一否決可能讓美國科學家失去在短期內對星際介質進行采樣的機會。

夢想的結晶

直至目前，科學家只能繼續研究“旅行者”號傳回的少量信號。在某些方面，他們掌握的信息相當豐富：大約二十年來關于星際空間邊界的數據，而這些數據又來自處在兩個不同位置的兩艘航天器。傳回的結果也充滿了奇怪的現象，例如，一艘航天器看上去穿越了終端激波5次，這也許是因為日球層的形態會隨著變化的太陽風強度同步起伏。

但“旅行者”號的遠距離觀測只是饞人的開胃前菜，讓我們得以一瞥一個我們幾乎無法到達的區域，這些數據帶給我們的疑問遠遠多于答案。例如，科學家預計日球層和星際空間的磁場會有很大的不同，但探測器傳回的數據卻截然不同。2020年，“旅行者”1號進入了一個奇怪的“壓力鋒面”，此處的磁場陡然增加，科學家難以解釋其緣由。盡管這兩艘航天器數年前就已經飛到了日球層頂之外，它們依然能在穿行的介質中找到太陽活動的細微痕跡，這擴大了科學家對太陽影響范圍大小的認識。

當然，“旅行者”號正在老化。它們是NASA迄今為止任務期最長的探測器，由科學家的夢想編織而成，他們也從未想過這項任務的生命也許比任務締造者本身更長久。每枚探測器的核心都是放射性同位素電池，為儀器和通信系統提供動力，但它們的運行功率已經降低到發射時的大約一半，并且仍在連年衰減。在過去的幾年里，“旅行者”1號發生過嚴重的故障，影響了它的通信，“旅行者”2號指向地球的天線也曾短暫偏離。此時此刻，任何微小的故障都可能導致任務的徹底終結。

有一件事是肯定的：無論“旅行者”號的任務何時結束，它們都會讓科學家渴求更多星際空間的數據。奧芬說：“‘旅行者’號的儀器在我們看清日球層的全貌之前就會停止工作。但我們想盡可能延長‘旅行者’號的任務期限，它們是我們的無價之寶。”

（作者：梅根·巴特爾斯）

本版圖文均由《環球科學》雜志社供稿