2013年9月12日,美国国家航空和航天局宣布,“旅行者”1号已经进入了星际空间。这个消息当时在媒体上掀起了一股热潮。在报道中,用得最多的一句话是:“旅行者"1号已经飞出了太阳系。人们的激动和兴奋完全可以理解,毕竟,这个1977年发射的探测器是迄令距离地球最远的人造物体,代表着人类向太空进发的最前沿。
但怎样才算是飞出了太阳系呢?太阳系和星际空间之间存在一条清晰的边界吗?如果有的话,这个边界在哪儿?
太阳系的边界
简单地说,太阳系的边界就是太阳的影响所能到达的最远位置。但是,太阳的影响又是什么呢?如果是太阳发出的光,那么,虽然距离太阳越远光线越弱,但从理论上讲,太阳光可以传到无限远的地方,不存在光线突然消失的边界。同理,太阳的引力作用也是无限延伸、越来越弱的,没有一条明确的边界。
要分辨太阳系和星际空间,太阳风是一个比光线和引力更合适的标志。这些太阳抛出的粒子以极高的速度向外飞去,像风一样吹拂着星际空间。而星际空间实际上并不是真空的,当中分布着非常稀疏却无处不在的气体和尘埃,天文学家称其为“星际介质”。
太阳风推开了星际介质,在太阳周围吹出了一个“泡泡”。这个“泡泡”叫作“日球层”,它被视为太阳系的范围。科学家认为,日球层的边缘到太阳的距离是日地距离的120倍,相当于太阳到冥王星距离的3倍。事实上,“旅行者”1号现在飞出的就是这个“泡泡”。
那太阳风为何不能像太阳光和太阳引力一样,向外无限延伸呢?星际介质虽然稀薄(密度最高也只有地球大气密度的百万亿分之一),但与地球大气类似,它也是存在压强的。在靠近太阳的地方,太阳风力量强劲,可以轻松地把星际介质吹跑。而距离太阳越远,太阳风的力量就越弱,在星际介质压强的阻碍下,风速也就变得越来越小,直到在某个位置完全停住了脚步,无力再推开周围的星际介质,这里就是“泡泡”的边缘了。这个太阳风最终停止的地方,叫作“日球层顶”。
与星际介质的搏斗
虽然日球层顶之外才是星际空间,但太阳风和星际介质的搏斗早在更靠近太阳的地方就开始了。在某个位置,太阳风中的粒子运动速度降低到了声速以下(没错,跟空气中真正的风不同,太阳风本来就比声速快得多),这里被天文学家称作“终端激波”。之所以特意把这个位置标出来,是因为太阳风经过这里时发生了许多变化。在终端激波,太阳风挤压在了一起,就好像是车流突然进入了狭窄路段。而且,体积压缩也导致其温度升高了很多。另外,在这里,太阳磁场也受到了阻碍,磁感应线折了回去。2004年,“旅行者”1号穿越了终端激波,此时它到太阳的距离是日地距离的90多倍。终端激波和日球层顶之间的广大区域,叫作“日球层鞘”,太阳风在这里艰难推进,直到停下来。
在太阳风向外吹拂的同时,太阳本身也在相对于周围的星际介质运动。就像船在水中前进时船头分开水面产生的波浪一样,携带着周围日球层前进的太阳也会在星际介质中制造出波,这种波叫作“弓形波”。如果太阳与星际介质的相对速度超越了声速,还会跟空气中的超音速飞机一样,产生压缩在一起的波——“激波”,此时弓形波就变成了“弓形激波”。不过,据美国国家航空和航天局的探测器——“星际边界探测器”(IBEX)的观测,日球层在星际介质中移动的速度不够快,还不足以产生激波,所以在日球层外面只有弓形波。