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太阳系的边界到底在哪?太阳系到底有多大?

时间:2017年09月21日 信息来源:科技日报 点击: 【字体:

9月5日,“旅行者1号”迎来了40岁生日。1977年在美国佛罗里达发射升空后,它对木星和土星展开了探测,而后向宇宙深处进发。地球与太阳相距1.5亿公里,天文学家将它称作1个天文单位。在40年的时间里,“旅行者1号”已经飞过约140个天文单位。该如何看待这个距离?

(原标题:茫茫太阳系,何处是边界)


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太阳日球层示意图



本报记者 徐玢

有报道称,“旅行者1号”早已飞出太阳系。但意见并不统一。有人认为这个距离不到太阳系半径的1/400,飞出太阳系还需30000年。

太阳系的边界到底在哪?太阳系到底有多大?

以行星轨道为界,海王星运行在最边缘

美国国家航空航天局(NASA)曾经表示,太阳系的边界有三种定义方式,其中之一是以行星轨道为界。按照这种定义,人类眼中的太阳系是逐渐增大的。

十七世纪,哥白尼提出的日心说逐渐被观测所证实。人们开始意识到,太阳周围绕转着许多颗行星,地球不过是其中之一。在很长一段时间内,土星是人们能看到的最远行星,也代表着太阳系最远的疆域。

1781年,热忱的天文观测者赫歇尔通过观测确认,天王星是太阳系的第七颗行星,虽然之前的观测者已经多次观测并记录过这个天体。这一发现,将太阳系的范围扩大了一倍。

随后,海王星、冥王星被逐一发现,更新着人们对太阳系的认识。如果以行星轨道来界定太阳系边界,人类目前所知的太阳系最大不过如此。

在冥王星被踢出行星大家族之后,海王星是目前已知距离太阳最远的行星,它运行在距离太阳30个天文单位的轨道上。早在1990年,“旅行者1号”便飞过这颗行星的轨道,并发回了地球照片。抵达这一距离的探测器也不仅仅是“旅行者1号”和 “旅行者2号”。比如“新视野”号早已探访过冥王星,目前正飞往柯伊伯带的小行星。

但这种定义方法的缺点显而易见。“在海王星的轨道之外,还有很多天体,比如彗星、小行星。如果不是太阳系成员,它们又是什么?”南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞说。

而且,用这种方法来定义太阳系边界也有很大的不确定性。2006年,冥王星被降级为矮行星,太阳系的范围瞬间缩减。另外一方面,充满好奇心的科学家并不满足于太阳系只有八颗行星。他们寄望于长期的观测和先进的技术能发现太阳系第九大行星。一旦成功,太阳系的边界也将再次改变。

以太阳风为界,日球层顶包裹着太阳系

2013年秋季,世界各大媒体争相宣布一个消息:“旅行者1号”飞出了太阳系。这时人们眼中的太阳系是日球层顶以内的空间。人们以太阳风的范围为标准,定义太阳系边界。

恒星之间的空间并非空无一物,而是充满了低温的星际介质粒子。太阳会不断向外吹出带电粒子,称为太阳风。所谓日球层,是太阳风发生作用的最大范围。当高速的太阳风粒子与星际介质粒子相遇时,会将其向外推开,自身也逐渐减速,直至无力与星际介质粒子抗衡。形象地说,日球层就好像太阳风向外吹出的一个气泡,日球层之内充满了太阳风粒子,在它之外则是由星际介质粒子主宰的星际空间。而日球层的最外层边界被称为日球层顶。

“由于太阳以220公里/秒的速度在银河系中运动,日球层并非对称的球形,”陈鹏飞说,在太阳运动方向的日球层最薄,约为100天文单位,在太阳运动的反方向这一厚度能达到500天文单位以上。“‘旅行者1号’正是沿着太阳运动的方向飞行,穿越了日球层顶。”

2012年8月和2013年4月,“旅行者1号”记录下2次太阳风粒子与星际介质粒子的剧烈相遇。科学家由此推测出太阳风粒子浓度相较于2004年已下降1000倍,星际介质粒子密度则上升了40多倍。在经过反复模型推演后,NASA于2013年9月12日宣布,“旅行者1号”已经穿越了日球层顶。

虽然NASA很谨慎地指出,关于太阳系边界有多种定义方式,因此“旅行者1号”的行为可以严谨地描述为进入星际空间,而不是飞出太阳系。但对此,仍有不买账的科学家。他们时不时地发表论文表示异议。因为飞出太阳日球层、进入星际空间有三个条件:来自太阳的带电粒子数量急剧下降、星际介质粒子的数量急剧增多,以及磁场方向的偏转。很遗憾,“旅行者1号”始终没有探测到磁场方向的偏转。

“没有探测到磁场方向的偏转并不能否定‘旅行者1号’飞出日球层。太阳相对星际介质的运动速度比预想的小,也许不足以在日球层顶产生激波。这导致磁场方向在日球层顶附近缓慢变化,而不是以前猜测的剧烈变化。”陈鹏飞说。因此,如果将日球层顶作为太阳系的边界,根据“旅行者1号”的测量,太阳系的边界在距离太阳100天文单位之遥。

以引力范围为界,奥尔特云是最遥远的疆域

更多的天文学家愿意根据太阳的万有引力来定义太阳系边界。也即如果一个天体主要受到太阳引力的作用,围绕太阳运动,那么它就是太阳系天体。按照这个标准,太阳系八大行星、日球层以及遥远的小行星与彗星都在太阳系范围内。

但太阳引力发生作用的最后边界在哪里?“在太空中某一地方,太阳引力和临近恒星的引力会达到平衡,这里便是太阳系的边界。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇说。

1950年,荷兰天文学家奥尔特提出,在太阳系遥远的疆域有一片冰冷的“云团”,孕育着1000亿颗长周期彗星。它被称作奥尔特云,一直延续到距离太阳50000—150000天文单位的区域。这里是太阳引力束缚天体作圆周运动的最后区域,也即太阳系边界。“旅行者1号”需要30000年飞出太阳系,正是基于“旅行者1号”每年约3.5天文单位的飞行速度以及奥尔特云延伸至100000天文单位的假设。

奥尔特云过于遥远,没有探测器到过这里,更没有人见过它。但这并不意味着,它完全是想象。

天文学家把从柯伊伯带向外到10000天文单位左右的空间称为内奥尔特云。“过去天文学家认为内奥尔特云是空的。但随着观测手段的提升,发现并非如此。”周礼勇说,2003年科学家发现小行星赛德娜,它与太阳最近的距离是76天文单位,但由于轨道很扁,远日点接近1000天文单位,位于内奥尔特云区域。“像这样的天体至少已经看到10多个,而实际上会更多。”

如果将奥尔特云视作太阳系的边界,我们永远无法看到“旅行者1号”飞出太阳系的那一天。因为携带的同位素电池仅有40多年的寿命,“旅行者1号”将从2020年开始逐渐关闭所搭载的仪器。2025年,它将关闭所有的仪器,切断与地球的联系。

但140个天文单位的飞行距离,已经让它跻身人类飞得最远的探测器。而“旅行者1号”携带的“地球之音”光盘刻有人类文明的种种信息,特殊处理让它足以抵御10亿年时光的侵蚀。


(作者:徐玢)
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