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飞出太阳系?还差得远!

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发表于 2018-10-8 10:42 | 显示全部楼层 |阅读模式


  日球层范围

  语宙

  +

  “活得够久还是有可能的”

  

  昨天,也就是2018年10月6日,美国宇航局(NASA)公布消息说,旅行者2号探测器可能正接近星际空间。其主要依据,是旅行者2号上的科学仪器检测到了宇宙射线的增加,表明它已经接近日球层的边缘,即将进入恒星际空间。

  

  旅行者1号、2号相对于日球层(灰色椭圆气泡)的位置

  而在2012年8月,旅行者1号就已经到达星际空间,很多人认为它是首个飞出太阳系的人造物体。日球层是太阳风的“势力范围”,飞出日球层就是飞出太阳系了吗?

  并不是。

  迄今为止,人类有5个探测器处于最终将离开太阳系的轨道:先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号,以及探索冥王星的新视野号。其中新视野号发射的时间较晚,目前飞行距离并不是很远。

  

  新视野号预计在2006-2030年间的飞行轨迹,最左侧轨道上天体为2014MU69,左二为冥王星,红色为木星,蓝色为地球。

  而旅行者1号和旅行者2号这对孪生兄弟分别在1977年9月和8月发射,但在借助木星和土星进行引力加速时走了不同的方向,所以导致两者速度有一定差异,旅行者2号借助几大行星的引力顺访了木星、土星、天王星和海王星。

  

  旅行者2号在1977-2018年间的飞行轨迹,从地球出发后相继经过木星、土星、天王星、海王星。

  在访问了木星和土星之后,本来旅行者1号是有机会顺访冥王星的,但负责旅行者号的科学家团队希望获得更多有关土星最大的卫星土卫六的信息,因此牺牲了这样的机会,而是对土卫六进行了更多的观测。也正由于这样的原因,使得旅行者1号获得了更快的速度。

  

  旅行者1号在1977-1981年间的飞行轨迹,从地球出发后相继经过木星和土星。

  上述5个探测器的飞行速度都超过了相对于太阳的逃逸速度,因此或早或晚都将飞出太阳系,成为环绕银河系中心运行的人造天体。其中旅行者1号飞行得最远,目前和太阳的距离已经超过200亿公里

  但对于旅行者1号是否已经飞出了太阳系,还存在很大的争议

  由于太阳的磁场作用范围有限,太阳风在距离太阳较远时也变得比较弱,这就导致在距离太阳大约180亿公里时,来自太阳系以外的质子等带电粒子的浓度会有显著增加,再往远就到了日球层以外的空间。这就是很多人认为旅行者1号已经离开太阳系的主要依据。

  

  太阳风和星际介质互相影响,形成日球层

  然而,判定一个物体是否离开了太阳系,显然不能以是否离开日球层边界来界定。在太阳诞生之后的数十亿年里,太阳的磁场是在不断变化的,太阳风的强度也在不断变化,因此日球层的边界并不固定。但数十亿年来太阳的质量一直是很稳定的,因此以引力的作用大小作为离开太阳系的标准更为合理

  尽管理论上万有引力可以作用到无限远,但对一个具体的天体还是可以界定它的引力范围。以地球为例,无论多远的物体都会受到地球引力的作用,但由于地球在围绕太阳运转,当物体与地球的距离达到约150万公里时,之前主要受地球引力作用的物体将逐渐变为主要受太阳的引力作用,这就是所谓的希尔球或洛希球的定义。判断一个物体是否离开了地球就是以150万公里为界。

  

  在太阳系中,由于海王星是距离太阳最远的行星,它的希尔球半径达到1亿1600万公里,与海王星的距离超过这个范围才算是逃离了它的引力范围。

  由于太阳带着太阳系的所有成员围绕银河系的中心旋转,距离银河系的中心大约2.61万光年,行进的速度大约每秒240公里,每2.26亿年绕银河系1圈,因此我们很容易判断,当一个物体距离太阳足够远,银河系中心对它的引力将超过太阳对它的引力时,就可以判断这个物体已经离开太阳系,而成为围绕银河系运转的天体了。

  根据万有引力定律的公式我们不难算出,这个距离大约为3.05光年,也就是大约29万亿公里。目前旅行者1号远离太阳的速度约为16.987公里每秒,按此速度,至少要五万多年以后才能离开太阳系

  

  太阳系在银河系中的位置

  反过来说,目前旅行者1号距离太阳200多亿公里,作为太阳系重要组成部分的“柯伊伯带”就远远超出这个范围,可以达到700亿公里以上。每76年回归一次的哈雷彗星就来自这里。而那些周期超过200年,甚至数千年才接近太阳1次的长周期彗星,则来自范围超过1光年的奥尔特星云,显然也是太阳系的成员。此外,科学家一直怀疑有可能存在的第九颗大行星,与太阳的距离比海王星远得多,也有可能达到200亿公里以上。

  

  太阳系中已知最远的六个天体

  综上所述,包括旅行者1号在内的深空探测器,距离飞出太阳系还至少需要几万年的时间。目前人类掌握的化学火箭推进技术和电推进技术,还无法将飞船加速到很高的速度,即便未来人类掌握了受控核聚变技术,可以制造出利用核聚变提供动力的大型飞船,也只能帮助人类征服海王星范围内的太阳系天体。

  受物理学原理的限制,对于平均寿命不到一百年的人类来说,还无法获得离开太阳系、造访附近恒星的能力。所以,除非人类对物质世界基本规律的认识有质的飞越,完全颠覆了现在的认知体系,否则人类是不可能离开太阳系的。

  


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