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回顾:旅行者二号遇49427℃“火墙”,人类有生之年,能飞出太阳系吗?

上世纪50年代第一颗卫星的升空,开启了人类的“太空探测纪元”,在这70年间,人类将探测器送上了周围的各个星球,甚至表示在探测数据的支持下,未来会登陆周边的星球建立“人类根据地”,实现太空移民。一开始,由于技术的限制,大家只能将探测目标瞄准附近的邻居,如天然卫星月球、地球的双胞胎兄弟金星和被誉为地球的替代星球火星等等。

渐渐地,大家发现地球周围的这些星球似乎都没有生命存在,也不太适宜碳基生命的生存,因此就扩大了搜索范围,将目标对准了太阳系之外,银河系旋臂之上那么多“小区”,总有一个能移居吧?美国的“旅行者”系列就肩负着飞出太阳系的使命出发了,没想到一飞就是四十多年。途中还遇到不少艰难险阻,比如旅行者二号在飞离太阳系时就遭遇了高温火墙,其温度竟然达到了49427℃。

机器尚且可以依靠着坚实和抗燃的外壳穿越这道屏障,人类脆弱的躯体面对如此高温可能直接就“气化爆炸”了,那才是真正的灰飞烟灭。我们,真的能够飞出太阳系吗?

太阳系极其边界

太阳系就是以太阳为中心,受到其引力作用不断运转的天体系统。地球和众多行星都分布在其中,根据2019年的观测数据可以看出太阳系当中除了有我们熟知的八大行星之外,还有120多万颗小行星,以及它们捕捉到的500多颗卫星。

从这一数据可以看出,太阳系的范围还是很广的,其中囊括的星体也很多。比太阳系更大一级的天体系统就是银河系了,太阳系位于银河系的猎户臂之上,距离银心的距离还是很远的,并且一直在以220km/s的速度绕行银心运动。

对于太阳系的诞生一直都众说纷纭,因为我们目前的深空探测技术还十分有限,对于追溯太阳以及太阳系的诞生历史很难找到直接证据。学者广泛认为太阳系诞生于一片星云当中,这个星云假说出现得最早,是由德国古典哲学创始人康德所提出的。在他的理论当中,太阳诞生于46亿年前,这片星云受到了超新星爆发的影响,内部发生了坍缩,从而形成了太阳以及太阳系。

在详细为大家介绍旅行者2号飞越太阳系之旅的进程之前,大家需要先明白太阳系边界的概念到底是什么。可以说,最初人们对于太阳系边界的定义十分随意,就是以最外围的行星轨道范围作基准,假如以目前发现的海王星轨道为基准,那么太阳系的直径约为90亿千米。

但是随着深空探测向更远更深处进发,距离我们更遥远的天体被发现,大家发现这种定义似乎不科学,于是改变想法想从另一角度出发。比如天文学家柯伊伯,就认为太阳系边界应当以海王星边缘的柯伊伯带命名。

到了现代,天体物理学有了更多的发现,科学家们就针对这一基础重新规定了两种太阳系边界定义标准。第一种是“物理边界”,以太阳风和星际物质相互作用的交界面为界。后文提到的旅行者二号穿越的火墙,就与这一边界息息相关,太阳距离这一边界的距离大约是100个天文单位。

第二种则是以太阳的引力作为判断基础,指出太阳系边界应当是太阳引力最后到达并控制的地方,有时也称其为“力学边界”。一般指的是到达奥尔特星云的位置甚至更远,其直径约为20万个天文单位,走到这里至少要花费1光年的时间。

大家对以上定义有所认识之后,接下来我们就可以探索“旅行者二号”的旅途见闻了,它遭遇的火墙到底是什么呢?有生之年飞出太阳系,或许真的是人类的奢求!

“旅行者”的漫漫星际旅途

成功穿越太阳风的两个旅行者探测器,最初都属于美国的“水手计划”,因此其实它们两都是太空飞船。值得一提的是,我们下意识都会认为1号比2号发射得早,这样比较符合逻辑。偏偏旅行者号不走寻常路,旅行者2号在1977年8月20日就发射了,旅行者1号等到同年的9月5号才发射。

它们兄弟二人最初肩负着不同的使命,于中途分道扬镳,最后又都到达了太阳风之外。这项最初计划只飞行4年的探测器,目前已经飞行了40多年,虽然可能于2025年时因为耗尽电量与我们失去联络,但是还是带给我们了许多的惊喜。

接下来我们就来详细了解一下旅行者2号的情况,它先后到访了土星、木星、天王星、海王星,为地球传回来了一系列的监测数据。旅行者2号的重量为721.9千克,相较于其它的探测器,它算得上是个“大块头”了。

为了在接近木星时有足够的力量改变其轨道,“旅行者2号”还携带了一个重达1125千克的固体火箭发动机,并为这台发动机配备了8台液体火箭姿控发动机,构成一个推进模块。

此外旅行者2号的功耗为420W,为了确保在漫长星际旅途当中一直有电,在它身上装有3个放射性同位素热电源,刚发射时供电能力约470W。专家指出,虽然能耗一直在衰减,但是还是能支撑到2025年左右。为了方便与地球联络,传回数据,旅行者2号的抛物面天线直径约为3.7米。

旅行者2号即便在距离地球数亿公里外的木星附近,依然能够以115.2bps的速率向地球传输信息,这比我们在互联网时代早期使用的调制解调器都要快。

2019年时NASA公布了旅行者2号探测器发回的数据,可以看出自它于2018年12月10日飞离太阳风层之后,当时与地球的距离大约是119AU。并且虽然旅行者1号早它一步从别处穿越了日光层边界,但是等离子体设备损坏,导致并未监测到穿越数据。但是旅行者2号的设备完好,因此给人们传回了完整的日球层顶数据,有助于我们了解太阳系物理边界情况。

神秘的“火墙”

因为监测设备完好,所以旅行者2号还记录了在穿越日光层边缘时遭遇的一道“火墙”,根据数据显示其温度高达49427℃。这火墙其实就是日球层顶的一道屏障,是由太阳风粒子和系外宇宙辐射粒子碰撞而产生的。它平时还能充当太阳系的防护罩,为太阳系抵挡外来70%的辐射。

来自系外的粒子与太阳风粒子相撞之后,相互压制抗衡,最终形成了这个粒子在其中快速运动的火墙。但是49427℃是我们根据其中辐射粒子的速率来计算的,但是它们的密度其实很低,这就是为什么它只能遮挡住70%的宇宙辐射,因为这个火墙有一些“漏风处”。

所以旅行者1号和2号都先后穿越了这道火墙,在穿越时遭受的热量冲击其实不大,因为密度很低,就像我们快速用手指穿过打火机的火苗,并不会感觉到多烫。再比如,我们用拳头去砸钢板和泡沫板,钢板看起来很薄但是砸不穿,拳头还会很痛,泡沫板则恰恰相反,利用这一例子会更好理解。

其实旅行者2号除了在穿越日光层边缘时遭遇了这道“高能粒子墙”以外,飞行过程中经常又会遇见粒子流,这些粒子流的温度高达6000℃,几乎和太阳表面的温度一样了。但是探测器却没有被烤化。这是因为这些粒子流的密度和上文提到的火墙一样低。

平均约每立方厘米的空间中只有0.015颗氦原子,相对地球表面每立方厘米约1兆(106)个粒子的密度而言,太空中的粒子流密度相当稀薄。

人类飞出太阳系了吗?

旅行者的两个探测器都成功飞出了日球层,脱离了太阳风,可以说它们飞出太阳系了吗?按照前文中我们给太阳系边界规定的物理定义,但是实际上,它们并未脱离太阳系的引力控制范围,所以仍然被太阳把控着,怎么能说是飞出了太阳系呢?

目前科学界广泛认为,只有它摆脱了太阳引力的控制,才叫真正飞出了太阳系。而摆脱控制的边缘超过了奥尔特云,因为科学家们指出奥尔特云内有一部分天体依旧受到太阳引力影响。不过奥尔特云距离我们本就非常遥远。粗略地估计一下,从太阳到达奥尔特星云需要走1500亿公里,它的宽度需要再向外延伸10万倍左右。

那么以目前旅行者2号的飞行速度,约为17公里/秒进行估算,它在飞出日光层边缘后还要继续飞行300年才能到奥尔特云旁边。如果要穿越奥尔特云,预计还要飞行4万年。

300年之后的人类可能还在,我们姑且可以等一等。但是4万年以后的地球估计早已是沧海桑田,人类真的能等到那个时候吗?况且旅行者探测器的能耗,根本没有那么久,在4年后它们就会与我们失联,成为流浪探测器。

以人类现在有限的生命和科技,想要飞出太阳系是不可能的,除非科学家能开发出新的能源,或者是制造出以光速运转的飞船,才有机会将人类送到太阳系之外。

保护地球

无法飞出太阳系,周围又没有宜居的星球,现在摆在人们面前的无非就是两条路。第一,拼命发展科技,要让人类科技发达到可以改造附近“星球”的地步,比如创造人造大气、人造磁场等等,但其工程浩大,大约只能出现在科幻小说当中了。

第二就是行动起来,保护地球。既然短时间之内我们没有能力离开移居外星,那么就要守护好脚下的土地,不要在还未找到新的家园前,就把地球弄得乌烟瘴气、无法生存。

结语

通过本文,大家对旅行者2号飞越的火墙有了一定了解,也知道了太阳系的真正边缘到底在哪里。我们短暂的生命和那长远的距离相比,大约只是一个瞬间吧,人类在几代人只能想要飞出太阳系是不可能了,只能寄希望于未来会发生“技术大爆炸”,人类的科技突飞猛进。

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