太阳的边界在哪里？

2018年12月10日，美国航空航天局（NASA）发布了一条消息，于1977年8月20日离开地球的“旅行者2号”探测器（Voyager 2）已经脱离了太阳圈（Heliosphere），进入到星际空间。它也成为了第二个进入星际空间的人类制造的探测器（第一个是比它晚16天发射的“旅行者1号”探测器）。这条消息并没有引起太大的关注，人们的注意力毕竟大多集中在“第一”的突破上。有了此前“旅行者1号”所取得的成就，“旅行者2号”的成就似乎显得理所当然。

实际上，“旅行者2号”与“旅行者1号”所飞行的路线并不相同，它们发回到地球的数据具有不同的价值。更重要的是，相比于1号，2号所携带的科学仪器更多仍处于正常的工作状态，也就能从更多角度为人类提供来自星际空间的数据，为许多问题做出解答——其中一个颇为重要的问题就是，太阳的边界究竟在哪里？

站在地球上观察太阳，它是一个已经持续进行了40多亿年核反应的巨大火球，为地球提供光和热，但太阳的范围还远不止于此。旅行者号探测器进入星际空间，也正是相对于太阳的边界而言。在所谓“太阳圈”的范围之内，太阳的磁场形成一个巨泡状的结构，里面充斥着来自太阳的粒子，太阳系内的各大行星都被包围在内，这些都属于太阳的势力范围。

根据“旅行者2号”发回的探测数据判断，它在2018年11月5日跨越了炽热的太阳风与星际物质接触的界限，这个界限也被称作太阳圈的“日球层顶”（Heliopause）。它终于摆脱了太阳的影响，进入了星际空间。目前“旅行者2号”距离地球180亿公里，它发回的信息需要16个小时以上的时间才能到达地球。

能够让地球上的科学家们判断“旅行者2号”已经脱离太阳边界的最有力证据，来自它所携带的“等离子科学实验”（Plasma Science Experiment）设备发回的数据。通过探测到的粒子的速度、密度、温度、压力和流量等数据显示，在太阳圈之内的粒子大多来自于太阳，但从2018年11月5日开始，来自太阳风粒子的速度开始大幅降低，之后便再也没有探测到太阳风的信号。除此之外，发自“旅行者2号”的关于宇宙射线、低能带电粒子和磁场强度探测的数据也都显示它已经穿越了“日球层顶”。

老骥伏枥，志在千里。当年人类发射“旅行者2号”的目的在于探测木星和土星，原计划的工作时间为5年。而现在它已经为人类工作了超过40年，使“旅行者2号”成为美国航空航天局工作时间最长的探测器。两个旅行者号探测器都是通过核放射性物质产生热量来获取能量。根据设计，两个探测器每一年的功率都会减小4瓦特，因此它们进行各项科学探测的能力也会逐年递减。

根据美国航空航天局项目科学家的估计，尽管不能保证携带的全部科学仪器都正常运行，“旅行者2号”还能在星际空间里继续工作5到10年，它目前仍然在以每秒超过1.3万米的速度远离太阳，这使它成为人类制造的运行速度第二快的物体（排名第一的是“旅行者1号”，目前的运行速度超过了1.5万米／秒）。即使是耗尽能量，与地球失去联系，两个旅行者号探测器也将保持原状，维持数十亿年的时间，而它们所携带的载有地球的声音、图像和信息的“旅行者金唱片”（Voyager Golden Records）则有可能被其他文明发现，并成为地球文明存在过的证据。

尽管两个旅行者号探测器都已经脱离了太阳的边界，但仍然将在太阳系的范围内旅行。从天文学的角度来说，太阳系的边界在奥尔特星云的外围——在这个范围之内都属于太阳的引力作用范围。人类目前还不清楚奥尔特星云的具体范围，它与太阳的距离介于1000个天文单位到10万个天文单位之间（地球与太阳的平均距离——1.49597871亿公里，被称作一个天文单位）。以此距离计算，旅行者号探测器需要大约3000年的时间到达奥尔特星云，需要大约3万年的时间才能飞跃而出。

学术界对于两个旅行者号探测器的遭遇并非没有疑问。关于所谓的“边界”，在课本的定义中固然明确，在实践中究竟应该如何界定却充满不确定因素。以至于当年关于“旅行者1号”是否已经确定离开太阳圈，科学家们需要通过一次投票才能确定。2012年12月，一群科学家聚集在旧金山，对这个问题发起投票。结果显示，大多数科学家同意“旅行者1号”已经进入了星际空间，但投票本身就已经说明还存在不确定因素。

该如何界定太阳的边界？在太阳圈内，大多数的粒子都来自于太阳，而在太阳圈外，大多数粒子都来自于数十亿乃至百亿年前发生爆发的恒星。可以说，太阳风减弱乃至消失的区域就是太阳的界限。关于“旅行者1号”穿越太阳圈的最初信号来自于它所探测的宇宙射线数量忽然大幅增高，而来自太阳的粒子密度则大幅降低，磁场强度也加倍了。此后直到2012年8月25日，“旅行者1号”探测到的磁场强度减弱，增强，而后再次减弱，再次增强，方向却几乎没有改变。

科学界根据“旅行者1号”的探测结果得出结论，它已经在2012年8月25日正式离开了太阳圈。问题在于，科学家们一直没有得到他们所期盼的信号——磁场的忽然转向。如果“旅行者1号”所处空间的磁场没有忽然转向，就很难说它已经离开了太阳的磁场范围——这个结果出乎大多数科学家的意料之外。距离2012年的探测，6年多的时间已经过去了，而“旅行者1号”探测到的磁场方向依然与它在太阳圈内探测的磁场方向大体一致，这让众多科学家无法解释。

正是因为这个未解之谜，2013年7月发表在《科学》杂志上的论述“旅行者1号”冲出太阳圈的论文也提到，因为缺少磁场方向的改变，使“日球层顶”的概念陷入疑问之中。有的科学家开始依此建立新的太阳模型，认为“日球层顶”并非是一个静态的概念，太阳粒子也可能进入宇宙空间，从而使太阳边界之外的磁场方向与太阳圈内大致保持一致。

目前人类毕竟只有两个探测器穿越了太阳的边界。那个领域的情况究竟如何，对人类来说还需要更多的时间去研究。现在科学家们等待着“旅行者2号”的磁场探测数据，希望可以与“旅行者1号”的数据进行对比。而在两个旅行者号探测器的基础之上，美国航空航天局计划在2024年发射“星际映像和加速探测器”（Interstellar Mapping and Acceleration Probe），它也将对太阳圈的边界进行探测，这必定会为人类带来全新的知识。

（本文写作参考了美国航空航天局网站和《今日物理学》杂志的报道） 科学边界旅行者2号太阳太空太阳风科技新闻