技术:星际穿越了一年，旅行者2号经历了些啥？

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资料来源:中国科普博览会

我们把空气用力吹向气球时，气球会因气球内外的压力差而向外膨胀。 然后，我们吹气球，收紧嘴，通过气球内外的压力平衡，气球总是可以保持圆形。 在宇宙中，太阳也用太阳风体吹出这样的“气球”，星际物质的存在使这个“气球”具有特别的大小和形状，科学家们称这个气球为“日球层”。 太阳风和星际物质相交的地方被称为“日球层顶”。 来自太阳系内部的飞机一旦越过日球层的顶部，就离开了太阳风影响的空间范围，进入了“星际穿越”的新旅程。

太阳使整个太阳系在银河系中运动，在与星际物质正面相遇的一侧，太阳球层的顶部和太阳的距离约为100多个天文单位( au )，即地球和太阳的距离的100倍以上( 1天文单位=日地平均距离)。

作为人类现在飞行的最远的探测器，美国于1977年发射的旅行者1号和旅行者2号于去年8月和年11月分别完成了日球层山顶的穿越。

旅行者1号在地球轨道面(黄道面)的北侧位置横穿日球层的顶部，横穿时与太阳的距离为121.7天文单位。 旅行者2号从黄道面的南边越过日球层的顶部，从太阳横穿119.0天文单位。 旅行者2号的等离子体光谱仪( pls )依然正常工作，因此没有像旅行者1号的pls那样在1980年代宣布罢工，科学家们对旅行者2号穿越行星带来的科学发现寄予更大的期待。

北京时间11月5日0点，《自然天文》期刊在网上发表了5篇论文，从各方面介绍了旅行者2号和旅行者1号在宇宙空间看到的新鲜情况。 通过这两个探测器的观测，科学家们发现太阳风和星际物质的相互作用在日球层的顶部附近出现了丰富而复杂的相互作用结构。 回答以往的问题，这些探测结果也对将来的日球层极限探测提出了越来越多的新问题，我们需要开发和回答越来越多的探测器。

第1部分

星际争霸战

在旅行者1号等离子体光谱仪的罢工中，科学家们必须用其他形式推测其位置的电子密度。 太阳风和行星间物质都是由被称为等离子体的物质形态构成的。 在等离子体中，电离的电子和离子与电磁场高度结合，电磁场的波动频率反映了等离子体的电子密度等性质。 旅行者1号还在从事测量等离子体中电磁场变动的仪器。 如果太阳从稀薄的爆炸经过长时间的传递到达旅行者1号船附近，旅行者1号所在的位置就会产生比较明显的电磁变动，科学家们可以利用这个宝贵的机会计算出旅行者1号附近的等离子体密度。 帮助科学家们确认旅行者1号已经在星际空间是在年发生的爆炸。

在这次发表的关于等离子体密度观测的论文中，科学家们发现根据电磁场变动推测电子密度的测量方法是可靠的。 从旅行者2号的观测数据来看，用等离子体光谱仪直接测量的电子密度与根据电磁波的波动推测的电子密度基本一致。 另外，旅行者2号和旅行者1号检测出的靠近日球层顶部的星际物质密度也大致相同，进一步证实了密度超过日球层顶部上升到20-50倍的理论计算结果。

利用旅行者1号飞越日球层顶部，来到星际空间后遇到的几次探测机会，科学家们发现旅行者1号探测的密度越来越高，越过星际物质的“峰”。 这座“山”是位于日球层外侧的边界层，现在的一个观点是星际物质可能在日球层的顶部附近受到阻碍，无法前进而堆积，但旅行者1号现在被认为刚刚登上了这座山顶。 正如理论上预测的那样，未来能否“下山”，以及旅行者2号是否能登上这座“山”，还需要进一步观测和证实。 有兴趣的是，25年前，两艘旅行者号的电波观测设备用遥感观测的方法发现了这个边界层的存在。 25年后，她们终于去了那里，爬上了自己“从远处眺望”的山峰。

由于失去了部分大气层的保护，经常坐飞机的旅客有可能受到越来越多的银河宇宙线的辐射。 但是，除了必须整天呆在空中的客房乘务员需要注意这个以外，旅客们通常不需要担心银河宇宙射线的剂量会带来什么样的风险。 因为我们的日球层是银河宇宙线的另一屏障。 在关于日球层顶部附近磁场观测的论文中，根据旅行者2号的探测数据，科学家们似乎发现了把宇宙射线遮挡在日球层外的结构。 从日球层内到日球层外，磁场强度如科学家们预想的那样增加了约4~5倍，这种变化在一个过渡区域逐渐发生。 穿过该区域后，银河宇宙线的强度也大幅增加。 科学家们把这个过渡区域称为“磁场屏障”，阻止能量高的银河宇宙线进入日球层中。 科学家们推测磁场势垒可能是日球层内外的磁场通过磁复合等相互作用形成的复杂的动力学系统。 另外，旅行者1号横穿日球层顶部时，检测出科学家们意想不到的状况:磁场方向在日球层内外变化不大。

旅行者2号的观测进一步证实了这一点。 探究这种现象背后的原因，相关行业的学者们又可以做很多工作了。

事实上，“磁场屏障”也可能不是一块铁板，但在另一篇专门用于宇宙线观测的论文中，科学家们表示旅行者1天在日球层内部遇到的2次银河宇宙线的增强。 就像心跳的脉冲一样，这两次增强都显示出偶发的短时间的急速变化。 旅行者2号在日球层内没有遇到这种情况，但在日球层外观测到的宇宙线的特征与旅行者1号在日球层内遭遇的这两次增强事件中宇宙线所表现的性质一致。 这表明宇宙射线可以通过什么样的机制穿透磁场屏障，在短时间内侵入少量的日球层内部。

在日球层内部靠近日球层顶部的位置，旅行者2日可以正常就业的等离子体光谱仪让科学家们发现了两个边界层。 作为非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常非常

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也是那个时候，我们必须中断和两个探测器的联系，听不到离开这两艘房子的几十年的孩子在宇宙空间里向地球之家呼喊。

科学家们除了对日球层顶部进行实地探测外，还可以通过遥感探测来探索日球层顶部的秘密。 现在，在地球附近运动的nasa“星际边界探测器”( ibex )通过收集来自太阳风和星际物质在日球层边界的相互作用的不同能级的高能中子来对日球层进行图像观测。 通过记录不同方向输送来的高能中子通量的差异，ibex的数据可以让科学家们理解太阳风和星际物质相互作用的强度。 但是遥感和实地探测可以互相合作促进，但不能互相替代。 我们依然需要派遣越来越多的“勘探队员”，更好地理解日球层的性质。 这不仅可以加深我们对太阳系的理解，而且得到的结论还可以进一步宣传给我们无法实地探测的宇宙其他天体系统。 旅行者1号、2号之后，没有确定的日球山顶探测计划。 在访问冥王星的nasa的新视野中，搭载的机器不是为日球层顶探测定制的，现在探测器的寿命和运行资金是否能继续她的日球层顶的扩张探测还不清楚。

今年年初，《中国科学新闻科学》杂志刊登了中国学者对太阳系极限探测的构想和计划。 这些学者中有来自航天工业部门各机构的工程师学者，也有来自北京大学、中国科学院等机构从事空间科学基础研究的学者。 在这篇论文中，我国学者设想将太阳系极限探测的目标分为100天文单位的最近目标和1000天文单位的长期目标，分别在2049年前后和本世纪末实现。 在最近的目标探测中，他们提出了日球层鼻尖、日球层鼻尖的反方向和日球层极区三个探测方向。 这三个方向是两艘旅行者号船还没有探测到的死角，是建立日球层完整图像的重要领域。 当然，宏伟的目标是突破一系列重要技术，探测器寿命长，飞行快，省燃料，与地球的通信不断穿越线，运行中的小问题可以自主处理，使探测到的科学数据准确可靠。

两艘旅行者号发射时，我国拥有刚刚发射卫星的技术，国家的技术力量和综合国力也达不到支持这么多复杂的深空任务的程度。 今天，随着嫦娥探测项目和火星探测项目等许多深空探测任务的开展，去行星间空间应该是我们努力所能做到的。