1977 年 9 月 5 日，Voyager I，旅行者 1 号发射升空，开启了长达四十多年，且仍未止步的漫长旅行。2012 年 8 月 25 日，它冲出了日球层，进入了恒星际空间，成为了人类迄今第一个，离开了太阳系的人造物，也是迄今为止距离地球最远的人造物。
关心地球物理学的大家，对于旅行者 1 号、2 号这两位大名鼎鼎的探险者，一定不陌生。这两颗探测器先后于 2012 年和 2018 年离开日球层，进入恒星际空间。消息发布的时候，在学界和民间，都形成了天文学和空间科学的热潮。
大家对于太阳系很熟悉，我们每天都生活在太阳系的第三颗行星上，创造着人类一切伟大而又渺小的文明。但是对于人类来说，太空是如此广阔，很少有人对地球和月亮之外的空间有直观的感受，甚至难以想象，更不要说太阳系之外。
如今一位先驱，经历了 40 年不眠不休的跋涉，终于来到了太阳系的边界——第一时间进入脑海的，其实并非感叹，而是三个质疑：什么是太阳系的边界？为什么认为旅行者飞出了太阳系的边界？以及，旅行者 1 号究竟是如何到达这样遥远的边疆的呢？
01
什么是太阳系的边界？
我们说旅行者 1 号到达了太阳系的边界——什么？太阳系还有个边界？
人类从未离开过地月系，更不要说离开太阳系，进入更为广阔的恒星际空间了。庄子说：“夏虫不可以语冰。”其实全无贬低的意思，对于现阶段的人类，太阳系确实是一个大得没边的体系。如今，藉由科学家的推算，以及旅行者号的证实，太阳系的边界，已经不再是人类认知的盲区了。
太阳系确实有边界，这个边界，根据不同的定义，有着不同的范围。在天体物理学领域，通常来说指的是太阳引力主导的最外围；而在空间物理学领域，太阳系的边界，指的是“日球层(Heliosphere)”的边界。
日球层，指的是在恒星际物质之中，由太阳释放出的等离子体，例如太阳风，所撑起的一个“空洞”，像一个气泡。在这个气泡之内，太阳风占据主导地位，而在这个气泡之外，是恒星际物质的主场。
举一个生活中的例子。大家在刷牙的时候，打开水龙头，就会看到上图这样的现象。相对高速的水流，冲击到水池池底，形成一个高速的水流盘。在这个水流盘的外围，水流迅速减速，堆积起来。
这是太阳风系统的一个二维简化类比。我们把水流冲击水池的那个位置看作是太阳，那么四溅的高速水流，就是太阳风；而外围那些缓慢平静的水流，就是恒星际物质。
在太阳系内，太阳风等离子体以超音速，从太阳“吹”向四方。这个超音速和地球大气层内的超音速是不一样的。在地球周边，太阳风大致有两种速度，慢太阳风大约 300-500 千米每秒，快太阳风大约 750 千米每秒。而在恒星际空间，等离子体的速度是亚音速的。
如果读者注意观察的话，就会发现，刷牙时侯的这种神奇现象——当然洗脸洗手的时候也能看到——并不是在水龙头刚刚打开的时候就会出现，而是需要在水池里预先堆积一部分已经被水池的形状等因素减速了的水才会出现。是的，这种激波现象，必须存在快速和慢速的两种流体。在这两个流体相互拮抗的边缘，才会出现激波。对应在太阳系，这个激波，就是日球层的“终止激波（Termination Shock）”。
更进一步观察，我们还会发现，两种速度的水流界处，水位是最高的，几乎是翻卷着立起来了。是的，在这样的地方，会形成一个鞘。在这里，本来快速流动的水被减速，被挤压，于是大量堆积。在动态平衡下，会聚拢成比别的地方更高的水位。体现在三维体系中，就意味着这里的流体会具备更高的密度。对应于太阳系，那就是日球层的“日球层鞘（Heliosheath）”。
在空间尺度上，这个边界是相对清晰的，所以在空间物理中，我们将日球层的外边界，作为太阳系的边界。
我们所说的，旅行者一号离开的太阳系边界，就是指日球层鞘。
图注：猎户座 LL 的弓激波
此外，在太阳系的“前进方向”（这里指的是太阳在恒星际空间物质中运动的方向），还有一个结构，被称为“弓激波（bow shock）”。大家可以想象一艘船，在平静的湖面上劈波斩浪，快速前进。在船艏，水会被破开，形成一道向两边滑去的浪纹。弓激波就是这样的结构。
02
为什么认为旅行者飞出了太阳系的边界？
前面说到，旅行者号离开了日球层。那么科学家是怎么判断，旅行者号离开了日球层，进入了恒星际空间呢？
在 2003 年，一部分科学家认为根据计算，旅行者 1 号进入了终止激波，在这里，太阳风将从超音速降到亚音速。但是一部分科学家对此存疑，因为老迈的旅行者上的太阳风探测器已经坏了，提不出证据来，必须从其它仪器上提取信息。
到了 2005 年 5 月 25 日，在 AGU 会议（美国地球物理学联合会）上，Ed Stone 博士展示了旅行者 1 号进入终止激波区域的证据。
到了 2010 年 6 月，从数据来看，旅行者 1 号处的太阳风几乎为零。此时，旅行者 1 号距离太阳 116 个天文单位，大约 173 亿公里。2010 年 12 月 13 日，确认旅行者 1 号已经离开了太阳风出流的范围。大致来说，就是进入了“日球层鞘”。
2011 年 3 月，地面给旅行者 1 号发送指令，让其相对地球，逆时针旋转了 70 度，来测量其他方向的太阳风——这是 1990 年，旅行者 1 号拍完全太阳系的全家福之后，久违的一次机动。旅行者 1 号工作正常，其发回的数据也被民间业余爱好者接收到。
图注：旅行者 1 号拍摄的太阳系全家福
2011 年 12 月 1 日，旅行者 1 号接收到了 Lyman-alpha 射线，这种射线是银河系产生的。在过去的天文学研究中，在别的河外星系发现过 Lyman-alpha 辐射，但是过去由于来自太阳的信号干扰，银河系本身的这种辐射却无法观测到。
到这时，NASA 认为，旅行者 1 号，随时都有可能离开太阳系，进入行星际空间。
2012 年 8 月，旅行者 1 号离开了太阳系，进入了行星际空间。
实际上过去了一年，这一事实才终于被科学家们通过反复论证证实出来，真正发表已经到了 2013 年的 4 月份。代表性的论文有：
Cowen, R. (2013). “Voyager 1 has reached interstellar space”. Nature.
Kerr, R. A. (2013). “It’s Official—Voyager Has Left the Solar System”. Science.
是的，到了关键问题了——怎么论证的？
简单来说，就是周遭环境的剧烈变化：
首先是宇宙射线的增强。上面这张图描绘了 2011 年 10 月至 2012 年 10 月的宇宙射线粒子（能量高于 70 兆电子伏特）数目，在 2012 年后半年，粒子数显著地增加了，这表明太阳风对外界粒子的遮挡作用骤然变弱了。图的横轴是时间，纵轴是每秒的粒子数。
其次是太阳风粒子（能量低于 0.5 兆电子伏特）数目的剧烈减弱。可以看到，2012 年 8 月，太阳风粒子经历了一次断崖式下跌。
简单地说，科学家因此而认为，在 2012 年 8 月 25 日——
旅行者一号离开了太阳系，进入了行星际空间。
03
旅行者 1 号如何到达遥远的边疆？
2013 年 3 月，旅行者 1 号，被宣布成为人类第一个进入星际空间的人造物。在这一年，旅行者 1 号以每年 3.6 个天文单位的速度，脱离太阳系。
到了现在，我写下这句话的这一秒，旅行者 1 号距离地球 146.61036774 个天文单位，合 21,932,598,835 千米；距离太阳 146.73893386 个天文单位，合 21,951,832,053 千米。相对于太阳的速度，大约是 16.9995 千米每秒。从地球发送一个信号过去，以光速传播，需要 20 小时 19 分钟 19 秒，才能被接收到。就在几分钟之后，插入下面这张图的时候，又前进了很多很多。
这是何等遥远的边疆！何等飞驰的极速！笔者单位的网速要是能这么快就好了
旅行者 1 号和 2 号作为全人类的明星探测器，他们的任务实时状态，都可以在 NASA 的喷气动力实验室（JPL）官网查询到，顺便一提，喷气动力实验室最早的主要创始人，就有我国科学家钱学森老先生。
在全人类的历史上，只有 5 颗探测器，达到了能够脱离太阳系的“第三宇宙速度”，分别是先驱者 10 号、11 号，旅行者 1 号、2 号，和新地平线号。
五颗探测器在X-Y 平面和X-Z 平面上的轨迹示意图，单位是天文单位 AU
第三宇宙速度是一个与物体距离太阳的距离相关的值。其代表的就是物体本身的动能（正值），大于物体受太阳引力势能（负值）的绝对值，从而总的机械能大于0，使得物体逃脱太阳引力体系。这需要海量的能量，如果用人类制造的火箭去实现，那么需要用一个庞大的火箭，去发射一个微小的探测器。
新地平线号（New Horizon）探测器是借由火箭直接达到第三宇宙速度的。它的整箭发射重量是 576.16 吨，但是探测器的重量只有 478 千克，相差一千多倍。
新地平线号
旅行者 1 号重达 825.5 千克，本身就比新地平线号要重。其本身又比新地平线号早了近 30 年，技术上也不够先进，所以用火箭来让它达到第三宇宙速度，很不经济，成本太高。
于是，经过科学家的计算，他们决定用时间去换取速度，让太阳系的各位行星兄弟们来为旅行者号助推。
旅行者号的距离-时间-速度图，红实线是其速度曲线，红虚线是其距离，均相对于太阳
从图上可以看出，1977 年，旅行者号发射，随着其轨道高度越来越高，速度就越来越慢——这是开普勒定律决定的。而在 1979 年，突然，他的速度有一个陡峭的提升。到了 1980 年后半年，速度又向上抬升了一下。这两个台阶，正是太阳系的行星，在为旅行者号提供助推。具体来说，就是木星和土星，这两颗太阳系最大的行星，对旅行者 1 号施加了“引力弹弓”。
旅行者 1 号与木星、土星相遇，深蓝色是地球，亮蓝是木星，绿色是土星
什么是引力弹弓呢？请读者想象一个乒乓球。
当你将乒乓球砸向一面墙壁，乒乓球会以近乎原速，反弹回来。但是如果你将乒乓球迎面砸向一列飞驰而来的火车，火车会将乒乓球直接撞飞。如果我们认为碰撞前后的速度正好是相反的，而碰撞过程中能量没有损失，并且火车不会因为乒乓球的碰撞有明显的减速。那么，这一次乒乓球反弹的速度的绝对值，应当等于乒乓球砸向火车的速度绝对值，加上火车行驶的速度绝对值。
将这种碰撞的力，换成星体之间的引力，就成了引力弹弓。
引力弹弓
木星和土星向来以引力巨大著称，用这两个星球做引力弹弓，在实际操作中是最为可行的。你没看《流浪地球》，也是用木星做引力弹弓么？
借助这两次引力弹弓，旅行者 1 号顺利达到第三宇宙速度，向着星际空间，向着宇宙深空奔去。
旅行者号无疑是伟大而精密、复杂的科学系统，从飞行器设计到轨道设计，都有严密而繁多的考量和细节，在这样一篇短文里，显然是不能一一叙述。如果旅行者号不出意外，他们的同位素热发电机大约能工作到 2030 年，此后就会因为电量不足关机，开始在星际空间的混沌的漂泊。
旅行者 1 号在天球上的轨迹
太阳系行星际空间的广阔和神奇，已经让人惊叹；人类如今一只脚迈入了恒星际空间，又有多少令人目眩神迷的惊喜？旅行者 1 号和 2 号正努力用仅存可以工作的 4 组和 5 组科学仪器，以 160bps，大约 20B 每秒的速度，跨越 20 多个小时的传播时间，将太阳系外的珍贵数据传回地球，如果你有足够好的接收天线，你也可以收听到这来自系外的先驱者的日记。
现在，旅行者号前进的方向，在地球上看来，是蛇夫座的方向。大约 300 年后，他会到达理论上的奥尔特云（很多彗星的发源地），然后用 3 万年的时间穿越奥尔特云。大约 4 万年后，以 1.6 光年的距离，与恒星 Gliese 445 擦肩而过。
旅行者号携带的黄金唱片
旅行者 1 号并没有特定地飞向某一颗恒星，注定会在银河系中探险，徘徊，游荡——直到永远。
而我们会永远记住，他，就是人类第一次，冲出太阳系的旅行者。
图片来自维基百科、NASA
美编：张 岳
校对：陶 琴
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