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星際空間 進(jìn)入星際空間后，旅行者二號發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象

作者：佰思科學(xué) | 沈東旭 邱亞明
迄今為止，人類有兩艘航天器探測了星際空間。2012年8月25日，NASA宣布，1977年9月5日發(fā)射的旅行者一號進(jìn)入了星際空間。目前旅行者一號距離地球大約151AU（1AU即一個天文單位，是地球到太陽的平均距離，大約1億5千萬公里）。2018年11月5日，旅行者二號也進(jìn)入了星際空間。在旅行者二號進(jìn)入星際空間之后，發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的現(xiàn)象。
在講這個奇怪現(xiàn)象之前，我們先科普一下什么是星際空間。太陽在銀河系里，沿著銀河平面繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，太陽還有上下起伏的運(yùn)動。從太空中望去，看起來是一種螺旋形的運(yùn)行軌跡。

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太陽在銀河系中的運(yùn)行軌跡
太陽在發(fā)出光芒，給我們帶來光明的同時，也在不停釋放出等離子粒子，形成了所謂的太陽風(fēng)。太陽風(fēng)粒子由電子，質(zhì)子（氫核），α粒子（氦核）等組成。
可以想象，在太陽距離太陽近的地方，太陽風(fēng)粒子密度大，隨著距離的增加密度會下降。到了一定距離之后，太空中的粒子，從銀河系來的宇宙射線會上升，而從太陽來的粒子會大幅下降。于是人們將太陽風(fēng)占主導(dǎo)的區(qū)域定義為太陽圈，heliosphere。太陽圈阻擋了一部分宇宙射線對太陽系內(nèi)部區(qū)域的沖擊，對像地球這樣的大行星有保護(hù)性作用。

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假想的太陽圈形狀
有人認(rèn)為，太陽圈就像彗星一樣，拖著長長的尾巴。不過，太陽圈的真實(shí)形狀很可能不是那么完美，或許還與星際物質(zhì)的分布有關(guān)系。最近NASA的一個模型認(rèn)為，太陽圈長得像法式牛角包（croissant）。

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NASA新的太陽圈形狀模型
太陽圈的邊緣被稱作太陽層頂（heliopause）。2018年11月5日，旅行者二號上面的探測器發(fā)現(xiàn)，來自于銀河系的宇宙射線粒子開始大幅增加，而太陽風(fēng)粒子斷崖式減少，這說明旅行者二號開始進(jìn)入星際空間。下圖是旅行者二號上面的儀器測得的太陽系和銀河系粒子數(shù)目。

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旅行者二號探測到的粒子數(shù)量：上，來自于銀河系的宇宙射線；下，太陽風(fēng)粒子數(shù)
這里需要注意，進(jìn)入星際空間和離開太陽系可不是一回事。太陽系的范圍由太陽的引力所決定--太陽系內(nèi)的物質(zhì)都在太陽引力的作用下，跟隨著太陽在銀河系中運(yùn)動。目前兩個旅行者號距離地球大約100多AU。太陽系邊緣區(qū)域被稱作奧爾特云，Oort Cloud，距離太陽最遠(yuǎn)估計有10萬AU，大約相當(dāng)于2光年。按照現(xiàn)在的速度，旅行者一號要穿越奧爾特云，脫離太陽的引力范圍，還要3萬年。

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太陽系的范圍
進(jìn)入星際空間后，旅行者一號和旅行者二號都發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的現(xiàn)象。之前科學(xué)家預(yù)測，星際空間中等離子體的密度應(yīng)該很低，如果僅考慮電子，平均每立方厘米應(yīng)該只有0.002個電子。然而，旅行者一號2013年測得的密度是0.055，旅行者二號2019年測量結(jié)果是0.039。

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旅行者一號和二號的飛行方向
2020年10月份的The Astrophysical Journal Letters發(fā)表了一篇文章，指出旅行者二號發(fā)現(xiàn)，在它飛出太陽圈之后，星際空間的密度不僅遠(yuǎn)比預(yù)計為高，而且隨著距離的增加，密度還在變高。這種現(xiàn)象與旅行者一號的發(fā)現(xiàn)相吻合。具體原因尚未有明確的答案。

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太陽圈、太陽層頂和旅行者一號、二號的位置
歸根結(jié)底，我們身處于太陽圈之內(nèi)，但對太陽圈的了解卻十分稀少。人類通過兩個旅行者，只是剛剛了解了太陽圈之外的星際空間的模樣。到目前為止，人類發(fā)射過的航天器中，還有先鋒10號、先鋒11號，以及執(zhí)行冥王星飛掠任務(wù)的新視野號將飛出太陽系。然而先鋒10號與11號因?yàn)槟芰亢谋M，分別于2003和1995年失去了聯(lián)系。

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除了新視野號其他四個能飛出太陽系星際飛船
新視野號預(yù)計飛到100AU的時間為2038年，從而進(jìn)入星際空間。然而，新視野號的電池預(yù)計在2030年代中后期耗盡，能否對星際空間進(jìn)行探測尚未可知。

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