Astronomy 版 (精华区)

发信人: wxl (小亮), 信区: Astronomy
标  题: 太阳系：新的边疆
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  6 07:16:44 2005), 转信


　　经过28年的飞行，旅行者1号飞船已经到达太阳风伸展范围的边缘，进入前所未知的新疆域。　　

　　记得我在很小的时候，就曾经看到“宇宙飞船飞出太阳系”的报道，甚至还约略记得当年《少年科学画报》上的彩色图片：小小的飞船越过一颗颗行星，奔向茫茫宇宙空间。所以，二十多年后忽然听到“旅行者1号即将率先飞出太阳系”的新闻，一时间有点找不着北。这些看似矛盾的说法其实并不奇怪，只不过是因为二十多年来，人们对太阳系“领空”范围的看法发生了很大变化。

　　
　　边疆何处

　　许多古代文化崇拜太阳，比如埃及和阿兹台克。不过，除了爱奥尼亚等少数文明之外，大多数古人虽然承认太阳高高在上的地位，却仍把大地当作世界的中心。在哥白尼的日心说中，太阳暂时获得了空前绝后的辉煌地位——宇宙的中心，这种误解直到今天还存在。但科学界在这一想法上停留的时间非常短暂，布鲁诺在16世纪末就提出太阳只是众多恒星中普通的一颗。随后观测手段越来越先进，人们逐渐弄清了恒星、银河、星系的真面目。进入20世纪后，太阳和它统治的领域——太阳系，已经沦落成宇宙角落里一个普通星系里一个普通的恒星－行星系统。

　　冥王星作为第九大行星的地位，在20世纪30年代被确立。这个处在阴暗与寒冷中、绕太阳一周需要248个地球年的小小世界，被自然地视为太阳系的边疆。不过它的轨道是很扁的椭圆，所以有时候冥王星会运行到比海王星还接近太阳的地方。事实上，我幼年时所听说的“飞出太阳系”，乃是先驱者10号飞船于1983年飞越海王星轨道。在1979至1999年间，由于冥王星离太阳更近，海王星才是当时的太阳系边疆。

　　冥王星作为“真正的行星”的地位一直不是十分稳固，它体积太小，轨道又过分的扁，有科学家认为它只是太阳系边缘许多小天体之一。虽然现在冥王星仍然被当作行星，但预言中它附近的那些小天体已经陆续被发现。冥王星与太阳的平均距离为59亿公里。而在距太阳50~80亿公里的地方，存在一个称为“柯伊伯带”的区域，估计其中有10万个直径超过100公里的天体，它们可能是太阳系诞生时剩余的材料。在柯伊伯带中，已经发现了一些相当大的天体，包括被一些科学家怀疑为第十大行星的“塞德娜”。这样，在某种意义上，柯伊伯带才是太阳系的边疆。

　　但是，太阳威力所及的范围，远远超出我们所看到的行星或小行星。如果不把目光局限在有形的物体上，太阳的领域还可以大大扩张。旅行者1号当前所在位置，就是新定义下的太阳系边疆——太阳风层的边界。


　　刮过虚空的风

　　太阳是一个巨大的热核反应熔炉，向宇宙空间倾泻着光和热。仅仅是其中极小的一部分能量，已足以支撑丰富多彩的地球生命和文明。在太阳的最外层大气——炽热明亮的日冕中，由于温度极高，带电粒子运动得非常快，以至于有些粒子可以摆脱太阳引力的束缚，形成喷向太阳四周空间的带电粒子流。

　　1955年，加州理工学院的Leverett Davis在研究宇宙射线时提出，太阳周围存在一个由“太阳微粒辐射”形成的泡泡。他的学生Eugene Parker于1958年给这种辐射起名叫“太阳风”。当时这个理论并不受欢迎，Parker的论文投给《天体物理学杂志》后被审稿人否定，幸好当时的杂志编辑、著名天文学家钱德拉塞卡挽救了这篇论文。到60年代初，美国的探险者10号卫星和水手2号飞船测得的数据，证实了太阳风的存在。

　　美国的尤利西斯号飞船，以及目前仍在绕日轨道上工作的太阳观测卫星SOHO，对太阳风进行了仔细研究，观察它产生的过程，以及速度、成分等特性。2001年发射的起源号飞船花了约3年时间采集太阳风粒子样本，但2004年回到地球时由于降落伞没有打开而摔坏。一部分粒子样本得以保全，科学家希望通过分析这些样本来精确判定太阳风的成分。

　　科学家目前知道，太阳风的主要成分是氢原子核（质子）、氦原子核和电子。太阳不同区域刮出的太阳风，成分有所不同，速度也相差很大。高速的太阳风可超过秒速800公里，低速的则只有秒速200公里。由于其中充满带电粒子，太阳风会影响地球的磁场，产生磁暴。太阳活动剧烈时，地球上强烈的磁暴会对无线通信产生严重干扰。一些太阳风粒子进入地球极地上空，与大气分子碰撞，产生绚丽的极光。

　　除了极光和磁暴，太阳风给我们的最直观印象，就是彗星的尾巴。彗星接近太阳时，越来越多的物质从彗核蒸发出来，包括尘埃和电离后的物质。太阳光形成的光压作用在其中的尘埃上，形成一条粗而短、弯曲的尘埃彗尾。而带电的太阳风作用在离子上，使之加速，形成长而直、偏蓝色的离子彗尾。


　　太阳的领域

　　超音速的太阳风向四面八方刮出，一直刮到很远的地方，比冥王星还要远得多，直到被星际物质所阻挡。太阳风延展的区域，是一个把整个太阳系包裹在内的大泡泡。这个大泡泡叫做helioshpere（其中helio是希腊语的“太阳”，而shpere则是“球”），它是科学家目前认为的太阳系领域，中文称作“太阳风层”，或者“日光层”。在这个区域内，一切都受到太阳的影响。

　　月亮绕地球旋转，地球绕太阳旋转，太阳则带着太阳系里所有的天体绕着银河系中央旋转，速度大概是250公里/秒。恒星与恒星之间的空间，虽然比人类在实验室里造出的最好真空还要空得多，但并不是完全空的，还是存在着一些物质。太阳就像一条船，以250公里/秒的速度，在星际物质的大海里奔驰。就像海水会在船头被挤压、堆积， 在太阳前进方向上，星际物质也会挤压和堆积，把太阳风层压扁。

　　因此，太阳风层是一个扁圆的泡泡。它有着复杂的结构，大致上不妨看成一个鸡蛋。“蛋黄”的边缘，是太阳风受星际物质压力而突然减速的地方。在这里，太阳风速度急剧下降到亚音速，带电粒子密度增加，相应地磁场强度也增大。这里称为“终止激波”，是太阳系边界开始的标志。再往外的“蛋清”，是太阳风和星际物质混合的地方，称为“太阳风鞘”，像刀鞘一样包裹着终止激波以内的区域。“蛋壳”是太阳风层的最外层，也就是太阳系外星际空间真正开始的地方，这里称为“太阳风层顶”。

　　由于太阳活动的变化，太阳风会时强时弱，终止激波的位置和形状也就不固定。一般认为它处于离太阳85~120个天文单位的地方，时进时退（1天文单位等于地球到太阳的距离，约1.5亿公里）。2003年，旅行者1号项目科学家宣布，一些不同寻常的迹象表明，飞船可能已经到达了终止激波。2002年8月，旅行者1号离太阳85个天文单位时，测到周围的太阳风磁场强度上升，这意味着太阳风速度下降、带电粒子密度增加。这可能表示飞船已经到达了终止激波区域，此外，在2003年初，可能是由于太阳风层膨胀，终止激波区域也向外扩张，导致飞船重新沐浴在超音速的太阳风里。但也有一些科学家对此表示怀疑，认为飞船还没有到达终止激波，仅仅是接近。

　　2005年5月，美国宇航局科学家宣布，他们有确凿证据显示，旅行者1号已经在2004年12月到达了终止激波。当时飞船探测到磁场强度剧增，增幅比2002年出现异常时更大，而且到现在仍维持在高水平上，符合预期中太阳风减速导致的磁场强度升高的情形。飞船还探测到周围有等离子体波浪，这是终止激波区域内外太阳风速度不同，使带电粒子来回振荡所致。旅行者号等离子体科学研究计划的首席研究员、麻省理工学院的John Richardson说：“现在研究小组的共识是，离太阳87亿英里(约140亿公里)的旅行者1号，已经进入了终止激波以外的区域，也就是太阳风鞘。” 加州理工学院的Edward Stone则说：“旅行者已经进入了飞往星际空间的长跑最后一圈，开始探索太阳系最后的边疆。”

　　旅行者2号运行速度比1号要慢，它与太阳的距离大约相当于1号的80%。两艘飞船走了不同的路线，从图是可以看出，它们分布在太阳系的“两边”。每艘飞船装备有三台放射性同位素核能发动机，已经在黑暗寒冷的环境里工作了28年，有可能坚持到2020年。旅行者1号在1998年超越先驱者10号，成为迄今飞得最远的航天器。也许我们有希望等到它们穿过太阳风鞘、到达太阳系外时发回的数据。

　　只是到时候，人类对太阳系领域的看法是不是又会有变化呢？假说中延展到离太阳30万亿公里的地方、作为长周期彗星发源地的奥尔特云，是不是真的存在？如果真的有那么一群离太阳极远但仍绕太阳旋转的天体，科学家会不会将重新定义太阳系，把它从太阳风波及的范围扩展到引力控制的范围，使得“飞出太阳系”的目标又要在更高的要求下重来一次？ 

--

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.239.188]