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太陽係是在太陽強大引力作用下，由太陽、8大行星、近500個(ge) 衛星和超過120萬(wan) 個(ge) 小行星，眾(zhong) 多矮行星、彗星以及行星際介質等組成的龐大天體(ti) 係統，所有天體(ti) 都圍繞太陽運轉。

太陽係示意圖

隨著人類深空探測能力的不斷提升，認識宇宙的手段越來越豐(feng) 富，範圍越來越廣，太陽係邊界探測已經成為(wei) 人類航天活動的重要方向，成為(wei) 人類認識宇宙的新窗口。太陽係的邊界在哪裏？邊界之外是怎樣的新世界？到達太陽係邊界又需要克服哪些難題？

太陽係的邊界在哪裏

1977年，美國發射旅行者１號、２號探測器，在完成預定行星探索任務後，開始向太陽係邊界出發。2012年8月，旅行者1號在距太陽約121AU（1AU為(wei) 日地平均距離，1.5×108公裏）、距地球約190億(yi) 公裏處飛出日球層，成為(wei) 第一顆進入星際空間的探測器。隨後，旅行者2號在2018年12月超越日球層頂，進入星際空間。

日球層頂和星際空間都是與(yu) 太陽係邊界有關(guan) 的概念，它們(men) 有什麽(me) 含義(yi) ？太陽係的邊界離我們(men) 有多遠？

對太陽係邊界，科學家們(men) 提出了3種定義(yi) 。第一種是以行星軌道為(wei) 界，從(cong) 太陽延伸到海王星，直徑約30AU，是範圍最小的邊界。

這個(ge) 邊界並不固定。2006年，國際天文學聯合會(hui) 把冥王星從(cong) 行星隊伍裏踢了出去，使太陽係範圍一下子縮小約三分之一。2016年，科學家們(men) 發現柯伊伯帶6顆天體(ti) 運行軌道異常的現象，推測那裏可能存在第9大行星，如果在未來真實觀測到這顆行星，太陽係邊界將有很大擴展。

第二種定義(yi) 是以日球層頂為(wei) 界，這也是兩(liang) 顆“旅行者”曾經抵達的地方。

根據人類對太陽和宇宙空間的觀測，太陽持續不斷地向外噴射超聲速帶電粒子流，形成橫掃空間的太陽風；另一方麵，廣闊無垠的宇宙空間，充斥著各種原子、分子和塵埃等低溫星際介質。太陽風在吹開星際介質的同時逐漸減速，最終達到平衡。整個(ge) 過程就像是太陽在銀河係用力吹出來一個(ge) 磁化等離子體(ti) “大氣泡”，這個(ge) 大氣泡就是日球層。

受太陽活動強度周期變化的影響，太陽風的強度也不斷改變，所以日球層的形狀和範圍並不固定。以日球層定義(yi) 的太陽係邊界，距太陽約80～150AU，旅行者1號和2號用了近40年的時間抵達這裏。

第三種定義(yi) 是以太陽引力範圍為(wei) 界。日球層之外，仍有廣闊範圍的天體(ti) 繞太陽運行，這個(ge) 邊界距離太陽大約5萬(wan) ～10萬(wan) AU，最遠處是奧爾特雲(yun) ，一個(ge) 裝滿了彗星的“大倉(cang) 庫”。引力邊界是範圍最大的太陽係邊界，到太陽有1光年的距離。

太陽係範圍如此廣闊，在太陽係與(yu) 其他恒星係之間，還有更加廣闊的星際空間，彌漫著稀薄的中性粒子、等離子體(ti) 、宇宙塵埃等星際物質。2013年3月，旅行者1號探測附近空間的等離子體(ti) 密度提升了40多倍，科學家們(men) 由此判斷它飛出日球層，進入了星際空間。

挑戰人類未知，探索無垠邊界

迄今，人類已經向太空中發射數千顆航天器，其中絕大多數運行在地球軌道，有100多顆飛出地月係，探測太陽、其他行星和小天體(ti) ，還有寥寥數顆踏上更遠的旅程，飛往太陽係邊際。它們(men) 是先驅者10號、11號，旅行者1號、2號和新視野號。

先驅者10號、11號分別在1972和1973年發射。先驅者10號首次成功穿越火星和木星之間的小行星帶，飛掠木星，並利用木星的引力加速，在1983年飛出海王星軌道。受能源限製，2003年它與(yu) 地球通信中斷時，已經飛到距太陽80AU的位置，並繼續沿著遠離銀河係中心的方向前進。

先驅者11號在1974年掠過木星，利用木星引力飛往土星，之後依次穿越土星光環和海王星軌道，並朝銀河係中心方向前進。它在1995年與(yu) 地球通信中斷，與(yu) 太陽距離43AU。

有了先驅者號的探索，旅行者號的旅程更加順利。旅行者1號先後到訪木星、土星，對土星環和土衛六大氣層進行了詳細探測。它裝有3枚核電池，可以支撐與(yu) 地球通信到2025年，而它在星際空間的旅程還要持續4萬(wan) 年，才能進入下一個(ge) 恒星“氣泡”。

旅行者2號有另一番傳(chuan) 奇經曆，它幸運地趕上了176年一遇的“四星聯遊”窗口，一次實現對木星、土星、天王星和海王星的飛越探測。

新視野號探測器發射於(yu) 新世紀，在2006年進入軌道，2015年飛越冥王星。它以每年3.4AU的高速飛行，預計在2030年飛臨(lin) 日球層邊際，隻花費24年時間，是人類最快的探測器。

太陽係邊界極其遙遠、極其寒冷、極其黑暗，充滿神秘和未知，是目前人類技術能力的極限。太陽係邊界也蘊藏著重要秘密和寶藏，這裏是保護太陽係免遭銀河宇宙射線潛在危害的第一道“防線”，保留著太陽係誕生早期的信息。

太陽風在日球層的傳(chuan) 播和演化機製是怎樣的？行星際塵雲(yun) 都保留著生命誕生和太陽係最初的哪些線索？對太陽係邊界的探測將開啟人類認識宇宙的新窗口，答案將在未來逐漸揭曉。

太陽係邊界探測需要哪些技術

太陽係邊界探測對航天技術提出了更高要求，需要提升極端環境下材料、儀(yi) 器、電子元器件等基礎技術水平，突破軌道設計、新型高效能源與(yu) 推進技術、超遠距離測控通信、新型科學載荷等尖端空間技術。

太陽係邊界探測距離遙遠，時間漫長，一方麵需要探測器的能源係統可以保持長期穩定工作，另一方麵與(yu) 太陽距離越遠，探測器可以獲取的太陽能也越少，需要解決(jue) 極暗條件下的供電問題。

目前核電池是解決(jue) 能源問題的重要途徑。核電池自主發電，能量密度高，使用壽命長，現在放射性同位素溫差電源（RTG）發展比較成熟，使用鈈-238作原料，核電池的半衰期長達88年，旅行者1號、2號的電源壽命都超過40年。核電池的一個(ge) 重要方向是發展空間核反應堆電源，比同位素電源功率大、價(jia) 格便宜，未來技術成熟後會(hui) 整體(ti) 提升探測器的性能。

探測器飛出數十億(yi) 公裏仍與(yu) 地麵不斷線，靠的是深空測控通信係統，能夠有效控製探測器的飛行，持續把珍貴的科學數據傳(chuan) 回地球。探測器與(yu) 地球距離越遠，通信信號越衰弱，時延增加，需要設計更高效的信道編碼技術，突破超遠距離極弱信號捕獲與(yu) 跟蹤，研製大口徑地麵天線組陣和大功率發射機，使地球測控能力覆蓋太陽係，有效支持任務開展。

長期飛行探測也對探測器壽命提出更高要求。地球軌道衛星的壽命通常在10～15年，深空探測器要在惡劣的太空環境中飛行工作數十年，對使用材料、元器件、係統自主管理和故障診斷處理技術都提出更加嚴(yan) 峻的挑戰，這些都需要一步一步解決(jue) 問題。

太陽係邊界存在很多未知，要求探測器功能多、性能強，裝備先進而豐(feng) 富的科學載荷，開展多類型多要素探測。科學載荷不僅(jin) 要在探測精度和範圍、高靈敏度、輕小型化等方麵不斷提升，還要盡量降低功耗，壓縮數據，確保探測器發揮最大價(jia) 值。

太陽係邊界探測涉及多個(ge) 尖端領域的大量技術難題，將牽引人類航天技術能力邁上新台階，實現科技水平與(yu) 創新能力的新提升。（作者：楊詩瑞）

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