王赤院士：中國正在論證太陽系邊際探測工程

2018年12月，美國國家航空航天局（NASA）正式宣佈1977年8月發射的旅行者2號飛船在119 AU（AU爲天文單位，1 AU爲日地平均距離，即1.5×108 km）處飛越日球層頂，進入星際空間。

在人類探索浩瀚宇宙的征程中，這是人造航天器第2次進入星際空間，而歷史的創造者正是旅行者2號的“孿生兄弟”——旅行者1號，它已於2012年8月率先進入星際空間，樹立了人類航天史新的里程碑，由此開啓了星際探測的新篇章。

下圖顯示了旅行者1號和旅行者2號在日球層頂之外的大致位置，遠遠超過冥王星的軌道（冥王星軌道最遠爲49 AU）。

旅行者1號和2號進入星際空間示意

進入新世紀，中國的深空探測取得了一系列令人矚目的成就。

2020年12月，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品安全着陸，標誌着中國探月工程“繞、落、回”規劃如期完成。

2020年7月，天問一號成功發射，開啓了中國行星探測的新紀元。

星空浩瀚無比，探索永無止境，接下來中國還要勇闖太陽系邊際探測的“無人區”。

2020年12月25日，中國國家航天局召開了太陽系邊際探測工程立項綜合論證啓動會，擬在新中國成立100週年之際（2049年），實現讓中國的航天器飛抵80~100 AU的深空，對極遠、極暗、極寒的未知區域開展科學探測，從而將在人類認識宇宙的歷史樹立新的豐碑。

那太陽系的邊界在什麼地方？什麼是太陽系邊際？行星際空間和星際空間的區別是什麼？爲什麼要探索太陽系邊際？

本文將揭開這些問題的答案。

太陽系邊界

太陽系包括太陽、8大行星、近500個衛星和至少120萬個小行星，還有矮行星、彗星以及行星際介質等。

太陽系示意

太陽作爲一顆恆星，其質量大約佔整個太陽系的99.86%，處於絕對的中心位置，包括8大行星在內的其他所有天體都圍繞它旋轉。

太陽系的邊界在哪裡？這個問題的答案不唯一，完全取決於選擇的定義方式。比較常見的定義方式有以下三種：

1）以行星軌道爲界

按照這種定義，人類眼中的太陽系邊界是隨着認知水平而變化的。

自17世紀哥白尼提出日心說，人們逐漸意識到行星圍繞太陽轉，地球不過是其中很普通的一顆行星。在很長一段時間內，土星是人們能觀測到的最遠的行星（約爲9.6 AU），也代表着太陽系的邊界。

18世紀，天文學家赫歇爾發現了太陽系的第7大行星天王星（~19.2 AU），將太陽系的範圍擴大了1倍。隨後，海王星、冥王星先後被發現，太陽系邊界延伸到了冥王星的軌道處。

2006年，國際天文學聯合會根據新的“行星”定義，將冥王星“踢出”行星家族。目前爲止，海王星是距離太陽最遠的行星，它運行在距離太陽30 AU的軌道上。

然而，充滿好奇心和探索精神的科學家不滿足於太陽系只有8大行星，還在不斷尋找太陽系的第9大行星。

2016年，美國科學家根據柯伊伯帶6顆天體運行軌道的異常，推測出太陽系可能存在第9大行星。如果這一推測能得到後續觀測的證實，太陽系的邊界將再次予以改變。

2）以日球層頂爲界

2013年秋季，世界各大媒體爭相發佈重大新聞：“旅行者1號飛出了太陽系。”

這裡太陽系的含義指的是日球層頂以內的空間。日球層簡言之是太陽風影響佔主導的空間。

太陽外層大氣的溫度高達百萬攝氏度，所有的氣體均已電離成可自由運動的帶電粒子（即等離子體）。

由於受到高溫產生的壓力梯度的作用，這些等離子體能夠擺脫太陽引力而不斷向外膨脹，形成太陽風。

太陽風速度很快，是超聲速流動，在地球軌道附近平均速度高達450 km/s。

恆星之間並非空無一物，而是充滿了低溫的星際介質。

當太陽風與星際介質相遇時，會將其向外推開，自身也逐漸減速，其結果就是太陽風向外吹出一個巨大的“氣泡”，這個“氣泡”就是太陽風發生作用的最大範圍，也就是日球層（日球空間）。

太陽風減速的不同階段形成了清晰的日球層邊界結構。

首先，太陽風通過終止激波從超聲速變成亞聲速，從而形成終止激波；其次，太陽風和星際介質“兩軍對壘”進一步減速，形成日球層頂。

下圖是日球層的數值模擬結果，從太陽往外看，由裡到外的兩個間斷依次爲終止激波（termination shock，TS）和日球層頂（heliopause，HP），其間爲內日球層鞘區（inner heliosheath，IHS）。外面是否存在日球弓激波還是一個謎，這主要取決於介質的性質。

星際磁場包絡的外日球層模擬結構（日球層弓激波未顯示；太陽在圖中心）

TS：終止激波；IHS：內日球層鞘區；HP：日球層頂；OHS：外日球層鞘區

終止激波類似於一個球殼，其位置距離太陽約在80 AU處。日球層頂的三維形狀還未知，而其在太陽系運動方向上的位置距離太陽的日球層頂約在120 AU處。因爲太陽風是動態變化的，因而日球層的邊界也是動態變化的，其變化幅度據估計達10 AU。

美國科學家在《天體物理學報》發表的論文中提出了太陽系邊際的概念（edge of the solar system）。如果定義太陽系尺度爲太陽風所到達的區域即日球層，那麼終止激波以遠的包括內日球層鞘區、日球層頂、外日球層鞘區等在內的太陽系邊緣區域就屬於太陽系邊際。

3）以太陽引力範圍爲界

更多的天文學家根據太陽的萬有引力來定義太陽系邊界，即如果一個天體主要受到太陽引力作用而圍繞太陽運動，那麼它就屬於太陽系天體。

按照這個標準，太陽系8大行星、日球層以及遙遠的小行星與彗星都在太陽系範圍之內。

科學家推測距離太陽5萬~10萬AU處可能存在一個長周期彗星的“大倉庫”——奧爾特雲，它在外圍包裹着太陽系。

奧爾特雲示意

根據萬有引力定律，可把受太陽引力束縛的天體作日心圓周運動的最遠邊緣定義爲太陽系邊界。如果奧爾特雲真實存在，它的外邊緣無疑就是太陽系的邊界了。

行星際空間和星際空間

顧名思義，行星際空間就是太陽系行星之間的空間，這個空間並非完全的真空，到處都充滿着太陽風粒子和行星際磁場、宇宙線（包括電離的原子核和各種次原子粒子）以及宇宙塵埃、小流星體等。

太陽表面不斷向外噴發着高速太陽風，太陽風裹挾着太陽的磁場吹向地球時，會對地球的內稟磁場產生作用，彷佛要把地球磁場從地球上吹走似的。

儘管如此，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，太陽風最終只能繞過地球磁場，繼續向前運動，從而形成了一個被太陽風包圍的、慧星狀的地球磁場區域，這就是磁層。

在日地連心線向陽的一側，磁層頂距地心約爲10個地球半徑。當太陽風壓增強時，磁層頂會被壓縮爲6~7個地球半徑。

在日地連心線背陽的一側，磁層形成一個圓柱狀的長尾，即磁尾，圓柱半徑約等於20個地球半徑，其長度至少等於幾百個地球半徑。

如果遙遠看去，磁層好像彗星一樣。在磁層頂外還存在磁鞘和弓激波。

磁層頂是地球空間和行星際空間的分界面，磁層頂以內屬於地球空間，物質主要源於地球，是地球大氣的一部分。離開地球磁層頂就進入到了行星際空間，其物質主要來源於太陽風和宇宙。

地球空間和行星際空間示意 來源：NASA

與之類似，星際空間指的是恆星與恆星之間的空間。星際空間並非絕對的真空，同樣存在着中性粒子、帶電粒子（等離子體）、宇宙塵埃和磁場、電場。

星際空間的物質更加稀薄，平均而言，每立方厘米的星際空間僅有0.1~1個原子。星際空間極其廣袤，人類至今也僅知道其中非常小的一部分，甚至談不上九牛一毛。

日球層頂以內的日球空間，物質主要來源於太陽，日球層頂外的物質主要來源於宇宙（星際介質），因而日球層頂是日球空間和星際空間的分界面，穿越日球層頂就進入到了星際空間。

NASA的旅行者1號已確認於2012年8月飛出日球空間，正式進入到了星際空間。

探索星際空間新徵程

自1957年人類開啓空間探測新紀元以來，大量航天器進入空間軌道，極大地拓展了人類對空間的認知。

絕大多數衛星計劃都是集中於幾個AU以內的內日球層探測，只有少數飛船計劃（如1977年發射的旅行者1、2號）完成其行星探索任務之後，踏上了星際探索的征程。

2006年1月，新視野號（New Horizons）發射升空，旨在對冥王星、冥衛一等柯伊伯帶天體進行探測，預計將於2038年飛臨日球層邊緣。

然而這些計劃都不是專門針對太陽邊際開展探測的計劃，其軌道設計、載荷配置都有很大的侷限性。

旅行者1號的運行方向是34°N，而旅行者2號運行方向是26°S，沒有穿越太陽風與星際介質相互作用最顯著的區域，即沒有迎着星際風方向的日球層鼻尖區。順着星際風方向的日球層尾至今仍是探測的空白地帶。

在科學探測方面，缺乏太陽系邊際和星際空間的關鍵空間環境參數的探測，如太陽風拾氣粒子、太陽系邊際的低強度磁場、宇宙塵埃和星際中性成分等。

繼1970年成功發射“東方紅一號”衛星之後，中國在月球與深空探測方面取得了重大進展。

探月工程2020年完成了“繞、落、回”三步走的目標，“天問一號”作爲中國第1個行星探測任務，標誌着中國航天器脫離地球空間，進入到行星際空間。

2020年12月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在祝賀嫦娥五號任務取得圓滿成功的賀電中指出“人類探索太空的步伐永無止境”，並提出更高的要求：“希望你們大力弘揚追逐夢想、勇於探索、協同攻堅、合作共贏的探月精神，一步一個腳印開啓星際探測新徵程。”

站在歷史新的起點，中國正在論證太陽系邊際探測工程，中國航天器將從日球層鼻尖和尾部兩個方向衝出星際空間，勇闖“無人區”，邁向星際空間，這將是中國成爲航天強國的標誌性工程之一。

中國太陽系邊際探測任務示意

爲何要發射航天器去太陽系邊際？人類對太陽系的認識還存在許多不解之謎，距離太陽80~150 AU的太陽系邊際是極其遙遠、極其寒冷、極其黑暗、神秘未知的地方，同時對太陽系內的天體也留着很多探測空白。

太陽系邊際探測有四個方面的探測任務：

1）“無人區探索”

日球層鼻尖方向和尾部都是人類航天器從未涉足的區域，人類對地球家園的深空環境還知之甚少。

太陽風和星際介質“兩軍對壘”形成的日球層頂，是保護人類地球家園及太陽系其他成員免遭銀河宇宙射線潛在危害的第一道“防線”，這道防線的物理特徵還有待探查。

進入星際空間後，人類航天器將首次同步開展星際介質的場和粒子觀測，精確獲取鄰近星際介質的特性和分佈特徵。

2）“日球層全貌”

太陽風在日球層的傳播和演化、太陽風和星際風的相互作用、異常宇宙線的產生機制等衆多科學問題還沒有統一認識。

日球層三維大尺度結構是“泡狀”還是“水滴形”、邊際是如何運動和動態演化以及日球弓激波是否真實存在等系列問題都有待人們去解密。

3）“大行星掠影”

無論是前往日球層的鼻尖區探測，還是到日球層尾部開展探索，都需要藉助太陽系大行星的引力“彈弓效應”，如木星、土星或海王星等。

因此，可以“邊走邊看”，探訪太陽系內的大行星，通過近距離的就位和遙感觀測，瞭解其全貌，深入理解太陽風與行星系統的相互作用。

此外，太陽系是否存在“第9大行星”的難題也有望取得突破。

4）“太陽系考古”

行星際塵雲更能代表太陽星雲的初始丰度和同位素特徵，提供生命誕生的秘密和太陽系形成的最初線索。

半人馬小行星、矮行星等柯伊伯帶小天體一般認爲由太陽系形成初期非常原始的物質組成。

木星、冰巨星保留了太陽系形成初期的氣體，包含了原恆星雲的狀態條件和行星形成的位置信息。

太陽系邊際探測任務可以實現對太陽系天體和行星際塵雲的全譜探測，將爲人類徐徐展開一幅太陽系形成和演化的畫卷。

當然，實現太陽系邊際探測也絕非易事，超遠距離、多探測目標、極端惡劣環境對航天技術提出了非常高的要求。

爲了實現上述四個方面的科學探測任務，需要突破六大關鍵技術，包括行星際軌道設計與優化技術、新型能源與推進技術、超遠距離深空測控通信技術、深空自控、高可靠長壽命技術及新型科學載荷技術等。

探測太陽系邊際將構建中國航天器在太陽系全域的到達能力，使中國初步具備星際空間探索能力，將大幅帶動中國科技水平與創新能力的提升。

結論

人類從來沒有停止過探索的步伐。

繼陸、海、空、天之後，深空日益成爲探索宇宙奧秘、和平利用太空的“第五疆域”。

開啓星際探測新徵程，勇闖極遠、極暗、極寒的未知區域，將爲人類認識太陽系和宇宙打開一扇新窗口。

作爲空間科學研究的前沿領域，太陽系邊際探測也逐漸成爲國際空間探測的熱點。

中國發起的太陽系邊際探測工程，不僅是建設航天強國的標誌性工程之一，也是中國對構建太陽系知識體系的重要貢獻。

作者簡介：王赤，中國科學院國家空間科學中心，中國科學院院士，研究方向爲空間物理與空間天氣。

論文全文發表於《科技導報》2021年第11期，原標題《 開啓星際探測新徵程》 ，本文有刪減，歡迎訂閱查看。

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