2014年9月29日

航海家一號離開太陽系了!?

科學家終於得到關鍵的證據,確認航海家一號已經在星際空間旅行,但是,這並不代表它也離開了太陽系,還需要看我們如何定義太陽系。

作者/林佳人(任教臺北市立金華國中)

經過36年的漫長旅程,美國航太總署(NASA)2013年9月發佈航海家一號早已經在星際空間(interstellar space)旅行1年的消息,在Science期刊的報導中,則是以「航海家一號離開太陽系」為題。到底什麼是星際空間?這和離開太陽系有什麼不同?科學家又是如何確定它在那裡?

太陽系的一般定義
太陽系一直以來指的是以太陽為中心,受到太陽萬有引力束縛的天體群。太陽系的領域包括八大行星、衛星、矮行星、與小天體如小行星、彗星等遊走的空間,最遠可到歐特雲(Oort cloud);歐特雲是理論推測存在的區域,為長週期彗星的故鄉,在此處,鄰近恆星的重力漸超越太陽微弱的重力,所以歐特雲的外緣被視為太陽系的邊界。不過,若要航海家一號抵達歐特雲內緣,大概要花300年左右的時間,別說飛越歐特雲還要再等大約30000年!航海家離歐特雲還遠得很呢!因此,以行星系統的角度來說,航海家尚未離開太陽系,但它究竟去了哪裡?


太空物理的太陽系
太空物理學家認為,2012年航海家一號通過了太陽圈頂(heliopause),進入了星際空間。星際空間是恆星之間的區域,這裡的物質雖然稀薄,但絕非空無一物,組成有離子、原子、分子、塵埃等,而且分佈並不均勻,比如恆星誕生於密度較高的分子雲中。理論上,太陽圈頂是太陽圈(heliosphere)與星際空間的交界,太陽圈是太陽在星際間移動時,以不斷吹拂出的太陽風建立的勢力範圍(圖一),就好像太陽在太空中吹泡泡一樣。由於太陽風是從太陽表層大氣噴發的電漿,電漿是游離的氣體,因此太陽磁場亦可藉著太陽風往外延伸,在太陽圈頂與太陽風抗衡星際電漿與磁場,並將帶電的星際物質往外偏折,所以當太陽表面活動劇烈時,太陽風較強、進入太陽系的宇宙射線也較弱。



當太空船跨越太陽圈頂時,表示它脫離太陽風、進入星際物質主控的環境。因此科學家預期航海家在接近及跨越太陽圈頂時會觀察到:宇宙射線增強、太陽風減弱、而太空磁場不論是強度及方向都會有顯著的變化,這是由於太陽磁場與星際磁場的方向並不相同,並且太陽磁場會因衝撞星際磁場而被擠壓增強。

航海家一號進入
星際空間的證據
在2012年8月25日,航海家一號距離太陽大約185億公里(123天文單位)時,偵測到宇宙射線突然增強了9%、來自太陽風的電漿粒子數量陡降超過1000倍(圖二),磁場強度也增加60%。現在已經知道,那一天航海家跨越了太陽圈頂,進入了星際空間,但是,當時航海家任務科學家卻不敢妄下定論,這是因為磁場方向並無明顯改變、變化不到2度(圖三),再加上能直接測量當地電漿性質的儀器早就壞了,所以科學家只能繼續等待。



直到2013年等待終於有了代價。4月9日開始,航海家一號上的電漿波儀(plasma wave instrument)偵測到周圍電漿在振盪,這個長達一個半月的振動,使科學家得以從其振動頻率推算出當地電漿的密度,其值約為0.08 cm-3,這個數值非常接近其他研究得到的太陽系周圍星際物質的電漿密度,比航海家二號目前在日鞘(heliosheath)內測得的電漿密度還要大,可達80倍之多(星際物質中的電漿密度約為0.05~0.22 cm-3,日鞘的電漿密度約為0.001~0.003 cm-3),科學家認為太陽風往外傳播而擴散,通過終止激震波(temination shock)後到達日鞘時,距離已遠,也沒有其他機制可以再壓縮電漿,才造成日鞘的低密度。

過去航海家一、二號都曾在遠處觀測到數次的無線電波爆發(bursts of radio waves),科學家認為它們源自類似的電漿震盪事件,是太陽表面的劇烈噴發形成的行星際震波(interplanetary shocks)傳播到太陽圈頂附近時,讓當地電漿產生振盪,電漿如同琴弦一樣受到擾動。在1992~1993年的事件,從開始到結束都被航海家們完整記錄下來。科學家由此計算行星際震波大約需400多天到達星際空間,並推測太陽圈頂距離太陽大約116~177天文單位之間。據此結果,科學家認為導致去年4月這一次事件的太陽活動,很可能是發生在2012年3月的聖派翠克節太陽風暴(St. Patrick's Day Solar storm)。

除此之外,科學家回溯船上的紀錄,發現2012年10月23日到11月27日也有一次較弱、且頻率較低的振動,這對應著較低的電漿密度,這表示航海家駛入密度持續增加的環境。科學家大膽以這兩次的數據外差估計航海家通過太陽圈頂的時間、也就是電漿密度開始增加的時刻,結果恰好就落在2012年8月出現宇宙射線量陡增的時候。

根據上述的三種證據,包含太陽風減弱、宇宙射線增加及吻合星際空間的電漿密度,科學家認為航海家已經沐浴在星際物質中,不過,仍受到太陽的作用,至於為什麼太陽依然能影響星際磁場與電漿,還需要更多的研究來瞭解。因此,航太總署決定以星際空間來表達航海家目前所在的領域:鄰近恆星能以電漿作用的空間。至於離開太陽系與否,則端看以哪一種角度來看太陽的影響範圍。

在過去的37年,航海家們經歷了飛越木星、土星、天王星、海王星的精彩時刻,航海家一號並成為第一艘接觸星際的太空船。航海家們的動力即將用盡,科學家準備在2020年開始,要輪流開關現在仍可運作的儀器,以節省能源,並在2025年完全停止所有的測量。

通往星際之路遠比想像中還要複雜許多,航海家計畫科學家史東(Ed Stone)表示:「在航海家剩下的旅程中,我們無法明確地說,還會有什麼等著我們去發現,其實到目前為止,也沒有人能準確預測到航海家看見的所有細節,所以,我們仍期待迎接更多的驚奇。」

航海家一號小檔案
目前航海家一號是人類飛行史上最快的太空船,每年3.5天文單位的速率前進,不過,它本身並沒有配備最先進的引擎,主要是藉由行星重力輔助來加速,這個方法最早被用在水手十號前往金星與水星。

航海家們第一個任務是探測地球外側的行星,包含木星、土星、天王星、和海王星,科學家把握百年難得一次的機會,讓航海家們達成任務。


延伸閱讀
1. Krimigis S. M. et al., Search for the exit: Voyager 1 at heliosphere's border with the galaxy, Science, Vol. 341: 144-147, 2012.
2. Burlaga, L. F., N. F. Ness and E. C. Stone, Magnetic field observations as Voyager 1 entered the heliosheath depletion region, Science, Vol. 341:
147-150, 2012.
3. Gurnett D. A. et al., In situ observations of interstellar plasma with Voyager 1, Science, Vol. 341: 1489-1492, 2013.