1977年9月5日，Voyager I，旅行者1號發(fā)射升空，開啟了長達四十多年，且仍未止步的漫長旅行。2012年8月25日，它沖出了日球層，進入了恒星際空間，成為了人類迄今第一個，離開了太陽系的人造物，也是迄今為止距離地球最遠的人造物。

關心地球物理學的大家，對于旅行者1號、2號這兩位大名鼎鼎的探險者，一定不陌生。這兩顆探測器先后于2012年和2018年離開日球層，進入恒星際空間。消息發(fā)布的時候，在學界和民間，都形成了天文學和空間科學的熱潮。

大家對于太陽系很熟悉，我們每天都生活在太陽系的第三顆行星上，創(chuàng)造著人類一切偉大而又渺小的文明。但是對于人類來說，太空是如此廣闊，很少有人對地球和月亮之外的空間有直觀的感受，甚至難以想象，更不要說太陽系之外。

如今一位先驅，經歷了40年不眠不休的跋涉，終于來到了太陽系的邊界——第一時間進入腦海的，其實并非感嘆，而是三個質疑：什么是太陽系的邊界？為什么認為旅行者飛出了太陽系的邊界？以及，旅行者1號究竟是如何到達這樣遙遠的邊疆的呢？

我們說旅行者1號到達了太陽系的邊界——什么？太陽系還有個邊界？

人類從未離開過地月系，更不要說離開太陽系，進入更為廣闊的恒星際空間了。莊子說：“夏蟲不可以語冰?！逼鋵嵢珶o貶低的意思，對于現(xiàn)階段的人類，太陽系確實是一個大得沒邊的體系。如今，藉由科學家的推算，以及旅行者號的證實，太陽系的邊界，已經不再是人類認知的盲區(qū)了。

太陽系確實有邊界，這個邊界，根據(jù)不同的定義，有著不同的范圍。在天體物理學領域，通常來說指的是太陽引力主導的最外圍；而在空間物理學領域，太陽系的邊界，指的是“日球層(Heliosphere)”的邊界。

日球層，指的是在恒星際物質之中，由太陽釋放出的等離子體，例如太陽風，所撐起的一個“空洞”，像一個氣泡。在這個氣泡之內，太陽風占據(jù)主導地位，而在這個氣泡之外，是恒星際物質的主場。

舉一個生活中的例子。大家在刷牙的時候，打開水龍頭，就會看到上圖這樣的現(xiàn)象。相對高速的水流，沖擊到水池池底，形成一個高速的水流盤。在這個水流盤的外圍，水流迅速減速，堆積起來。

這是太陽風系統(tǒng)的一個二維簡化類比。我們把水流沖擊水池的那個位置看作是太陽，那么四濺的高速水流，就是太陽風；而外圍那些緩慢平靜的水流，就是恒星際物質。

在太陽系內，太陽風等離子體以超音速，從太陽“吹”向四方。這個超音速和地球大氣層內的超音速是不一樣的。在地球周邊，太陽風大致有兩種速度，慢太陽風大約300-500千米每秒，快太陽風大約750千米每秒。而在恒星際空間，等離子體的速度是亞音速的。

如果讀者注意觀察的話，就會發(fā)現(xiàn)，刷牙時侯的這種神奇現(xiàn)象——當然洗臉洗手的時候也能看到——并不是在水龍頭剛剛打開的時候就會出現(xiàn)，而是需要在水池里預先堆積一部分已經被水池的形狀等因素減速了的水才會出現(xiàn)。是的，這種激波現(xiàn)象，必須存在快速和慢速的兩種流體。在這兩個流體相互拮抗的邊緣，才會出現(xiàn)激波。對應在太陽系，這個激波，就是日球層的“終止激波（Termination Shock）”。

更進一步觀察，我們還會發(fā)現(xiàn)，兩種速度的水流界處，水位是最高的，幾乎是翻卷著立起來了。是的，在這樣的地方，會形成一個鞘。在這里，本來快速流動的水被減速，被擠壓，于是大量堆積。在動態(tài)平衡下，會聚攏成比別的地方更高的水位。體現(xiàn)在三維體系中，就意味著這里的流體會具備更高的密度。對應于太陽系，那就是日球層的“日球層鞘（Heliosheath）”。

在空間尺度上，這個邊界是相對清晰的，所以在空間物理中，我們將日球層的外邊界，作為太陽系的邊界。

我們所說的，旅行者一號離開的太陽系邊界，就是指日球層鞘。

圖注：獵戶座LL的弓激波

此外，在太陽系的“前進方向”（這里指的是太陽在恒星際空間物質中運動的方向），還有一個結構，被稱為“弓激波（bow shock）”。大家可以想象一艘船，在平靜的湖面上劈波斬浪，快速前進。在船艏，水會被破開，形成一道向兩邊滑去的浪紋。弓激波就是這樣的結構。

前面說到，旅行者號離開了日球層。那么科學家是怎么判斷，旅行者號離開了日球層，進入了恒星際空間呢？

在2003年，一部分科學家認為根據(jù)計算，旅行者1號進入了終止激波，在這里，太陽風將從超音速降到亞音速。但是一部分科學家對此存疑，因為老邁的旅行者上的太陽風探測器已經壞了，提不出證據(jù)來，必須從其它儀器上提取信息。

到了2005年5月25日，在AGU會議（美國地球物理學聯(lián)合會）上，Ed Stone博士展示了旅行者1號進入終止激波區(qū)域的證據(jù)。

到了2010年6月，從數(shù)據(jù)來看，旅行者1號處的太陽風幾乎為零。此時，旅行者1號距離太陽116個天文單位，大約173億公里。2010年12月13日，確認旅行者1號已經離開了太陽風出流的范圍。大致來說，就是進入了“日球層鞘”。

2011年3月，地面給旅行者1號發(fā)送指令，讓其相對地球，逆時針旋轉了70度，來測量其他方向的太陽風——這是1990年，旅行者1號拍完全太陽系的全家福之后，久違的一次機動。旅行者1號工作正常，其發(fā)回的數(shù)據(jù)也被民間業(yè)余愛好者接收到。

圖注：旅行者1號拍攝的太陽系全家福

2011年12月1日，旅行者1號接收到了Lyman-alpha射線，這種射線是銀河系產生的。在過去的天文學研究中，在別的河外星系發(fā)現(xiàn)過Lyman-alpha輻射，但是過去由于來自太陽的信號干擾，銀河系本身的這種輻射卻無法觀測到。

到這時，NASA認為，旅行者1號，隨時都有可能離開太陽系，進入行星際空間。

2012年8月，旅行者1號離開了太陽系，進入了行星際空間。

實際上過去了一年，這一事實才終于被科學家們通過反復論證證實出來，真正發(fā)表已經到了2013年的4月份。代表性的論文有：

Cowen, R. (2013). 'Voyager 1 has reached interstellar space'. Nature.

Kerr, R. A. (2013). 'It's Official—Voyager Has Left the Solar System'. Science.

是的，到了關鍵問題了——怎么論證的？

簡單來說，就是周遭環(huán)境的劇烈變化：

首先是宇宙射線的增強。上面這張圖描繪了2011年10月至2012年10月的宇宙射線粒子（能量高于70兆電子伏特）數(shù)目，在2012年后半年，粒子數(shù)顯著地增加了，這表明太陽風對外界粒子的遮擋作用驟然變弱了。圖的橫軸是時間，縱軸是每秒的粒子數(shù)。

其次是太陽風粒子（能量低于0.5兆電子伏特）數(shù)目的劇烈減弱?？梢钥吹?，2012年8月，太陽風粒子經歷了一次斷崖式下跌。

簡單地說，科學家因此而認為，在2012年8月25日——

旅行者一號離開了太陽系，進入了行星際空間。

2013年3月，旅行者1號，被宣布成為人類第一個進入星際空間的人造物。在這一年，旅行者1號以每年3.6個天文單位的速度，脫離太陽系。

到了現(xiàn)在，我寫下這句話的這一秒，旅行者1號距離地球146.61036774個天文單位，合21,932,598,835千米；距離太陽146.73893386個天文單位，合21,951,832,053千米。相對于太陽的速度，大約是16.9995千米每秒。從地球發(fā)送一個信號過去，以光速傳播，需要20小時19分鐘19秒，才能被接收到。就在幾分鐘之后，插入下面這張圖的時候，又前進了很多很多。

這是何等遙遠的邊疆！何等飛馳的極速！筆者單位的網速要是能這么快就好了

旅行者1號和2號作為全人類的明星探測器，他們的任務實時狀態(tài)，都可以在NASA的噴氣動力實驗室（JPL）官網查詢到，順便一提，噴氣動力實驗室最早的主要創(chuàng)始人，就有我國科學家錢學森老先生。

在全人類的歷史上，只有5顆探測器，達到了能夠脫離太陽系的“第三宇宙速度”，分別是先驅者10號、11號，旅行者1號、2號，和新地平線號。

五顆探測器在X-Y平面和X-Z平面上的軌跡示意圖，單位是天文單位AU。

第三宇宙速度是一個與物體距離太陽的距離相關的值。其代表的就是物體本身的動能（正值），大于物體受太陽引力勢能（負值）的絕對值，從而總的機械能大于0，使得物體逃脫太陽引力體系。這需要海量的能量，如果用人類制造的火箭去實現(xiàn)，那么需要用一個龐大的火箭，去發(fā)射一個微小的探測器。

新地平線號（New Horizon）探測器是借由火箭直接達到第三宇宙速度的。它的整箭發(fā)射重量是576.16噸，但是探測器的重量只有478千克，相差一千多倍。

新地平線號

旅行者1號重達825.5千克，本身就比新地平線號要重。其本身又比新地平線號早了近30年，技術上也不夠先進，所以用火箭來讓它達到第三宇宙速度，很不經濟，成本太高。

于是，經過科學家的計算，他們決定用時間去換取速度，讓太陽系的各位行星兄弟們來為旅行者號助推。

旅行者號的距離-時間-速度圖。

紅實線是其速度曲線，紅虛線是其距離，均相對于太陽

從圖上可以看出，1977年，旅行者號發(fā)射，隨著其軌道高度越來越高，速度就越來越慢——這是開普勒定律決定的。而在1979年，突然，他的速度有一個陡峭的提升。到了1980年后半年，速度又向上抬升了一下。這兩個臺階，正是太陽系的行星，在為旅行者號提供助推。具體來說，就是木星和土星，這兩顆太陽系最大的行星，對旅行者1號施加了“引力彈弓”。

旅行者1號與木星、土星相遇。

深藍色是地球，亮藍是木星，綠色是土星

什么是引力彈弓呢？請讀者想象一個乒乓球。

當你將乒乓球砸向一面墻壁，乒乓球會以近乎原速，反彈回來。但是如果你將乒乓球迎面砸向一列飛馳而來的火車，火車會將乒乓球直接撞飛。如果我們認為碰撞前后的速度正好是相反的，而碰撞過程中能量沒有損失，并且火車不會因為乒乓球的碰撞有明顯的減速。那么，這一次乒乓球反彈的速度的絕對值，應當?shù)扔谄古仪蛟蚁蚧疖嚨乃俣冉^對值，加上火車行駛的速度絕對值。

將這種碰撞的力，換成星體之間的引力，就成了引力彈弓。

引力彈弓

木星和土星向來以引力巨大著稱，用這兩個星球做引力彈弓，在實際操作中是最為可行的。你沒看《流浪地球》，也是用木星做引力彈弓么？

借助這兩次引力彈弓，旅行者1號順利達到第三宇宙速度，向著星際空間，向著宇宙深空奔去。

旅行者號無疑是偉大而精密、復雜的科學系統(tǒng)，從飛行器設計到軌道設計，都有嚴密而繁多的考量和細節(jié)，在這樣一篇短文里，顯然是不能一一敘述。如果旅行者號不出意外，他們的同位素熱發(fā)電機大約能工作到2030年，此后就會因為電量不足關機，開始在星際空間的混沌的漂泊。

旅行者1號在天球上的軌跡

太陽系行星際空間的廣闊和神奇，已經讓人驚嘆；人類如今一只腳邁入了恒星際空間，又有多少令人目眩神迷的驚喜？旅行者1號和2號正努力用僅存可以工作的4組和5組科學儀器，以160bps，大約20B每秒的速度，跨越20多個小時的傳播時間，將太陽系外的珍貴數(shù)據(jù)傳回地球，如果你有足夠好的接收天線，你也可以收聽到這來自系外的先驅者的日記。

現(xiàn)在，旅行者號前進的方向，在地球上看來，是蛇夫座的方向。大約300年后，他會到達理論上的奧爾特云（很多彗星的發(fā)源地），然后用3萬年的時間穿越奧爾特云。大約4萬年后，以1.6光年的距離，與恒星Gliese 445擦肩而過。

旅行者號攜帶的黃金唱片

旅行者1號并沒有特定地飛向某一顆恒星，注定會在銀河系中探險，徘徊，游蕩——直到永遠。

而我們會永遠記住，他，就是人類第一次，沖出太陽系的旅行者。

（圖片來自維基百科、NASA）

美編：張   岳

校對：陶   琴