中國已啟動(dòng)太陽系邊際探測(cè)工程論證！為什么要探測(cè)？有哪些技術(shù)難題？國家空間科學(xué)中心王赤院士揭開太陽系邊際探測(cè)的關(guān)鍵科學(xué)問題。
撰文/記者 何從 圖文編輯/陳永杰
新媒體編輯/房永珍
采訪專家：
王 赤（中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任）
4月24日于南京舉行的2021年中國航天大會(huì)主論壇上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤作題為《太陽系邊際探測(cè)關(guān)鍵科學(xué)問題》的報(bào)告，報(bào)告中透露，中國已經(jīng)啟動(dòng)太陽系邊際探測(cè)工程論證工作。
▲中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
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太陽系邊緣是什么樣的？
太陽系邊界離我們有多遙遠(yuǎn)？太陽系的邊界到底在哪里？這是一個(gè)難以回答的問題，因?yàn)樘栂颠吔缗c國界、區(qū)域界限不同，在宇宙中并不存在一個(gè)明顯的固定邊界。長期以來，關(guān)于太陽系邊界問題，科學(xué)家也是爭論不定。
其實(shí)，太陽系邊界在哪里與人們的定義有關(guān)。以前，科學(xué)家把在太陽引力作用下運(yùn)動(dòng)的天體，看作太陽系成員，把太陽引力所及的范圍視為太陽系邊界，冥王星一度被認(rèn)為是受太陽引力作用的最遙遠(yuǎn)的第九大行星，所以認(rèn)為冥王星位于太陽系的邊界。
▲太陽系邊際物質(zhì)構(gòu)成示意圖。（圖片來源：《太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)問題》）
后來隨著科技進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)原來引力可以無限延伸，太陽的引力可以延伸到銀河系以外。然而，根據(jù)萬有引力定律，引力和距離的平方成反比，因此在很大的距離上，太陽引力的實(shí)際作用很小。
關(guān)于太陽系邊際，目前主要有兩種定義:一是以太陽風(fēng)控制范圍作為依據(jù)，太陽風(fēng)與星際介質(zhì)相互作用形成的邊界區(qū)域，距太陽約為80-150AU(1AU為一個(gè)天文單位，相當(dāng)于一個(gè)日地距離，約1.5億公里)。二是以太陽引力控制范圍作為依據(jù)，太陽系邊際位于奧爾特云附近，距離太陽約為5萬-10萬AU。
▲太陽系重要天體和奧爾特云示意圖。（圖片來源：維基百科）
太陽系邊際是什么樣呢？太陽系的核心，太陽通過光和熱輻射向廣闊的宇宙空間輸送能量。大家冬季用“小太陽”取暖的時(shí)候，離它越近，就越覺得熱，反之離得較遠(yuǎn)，熱量就明顯減少。太陽的光和熱也是這樣，它們輸送到太陽系邊緣時(shí)已變得十分微弱。所以，太陽系邊界既是暗無天日的，又是冷若冰霜的，而且由于與星際空間相鄰，除了一些冰凍小天體，物質(zhì)稀薄到近乎真空的程度。
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為什么要去探測(cè)？
既然太陽系邊際暗無天日 ，物質(zhì)還稀薄，干嘛還要去探測(cè)它？“對(duì)太陽系邊際探測(cè)能夠揭示日球?qū)游锢怼⑻栂笛莼?、恒星際物理等重大科學(xué)問題。”中國科學(xué)院院士王赤在接受記者采訪時(shí)說。
據(jù)悉，中國已經(jīng)啟動(dòng)太陽系邊際探測(cè)工程論證工作，開展太陽風(fēng)動(dòng)力學(xué)演化及其與星際介質(zhì)相互作用機(jī)制、太陽系演化與外太陽系天體分布特征等相關(guān)研究，感知地球家園深空環(huán)境，揭秘外太陽系典型天體。
“太陽系邊際探測(cè)工程將實(shí)現(xiàn)無人區(qū)探索、日球?qū)尤病⒋笮行锹佑?、太陽系考古四大科學(xué)目標(biāo)。”王赤介紹。
在1977年，美國發(fā)射的“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”探測(cè)器，已陸續(xù)飛出日球?qū)舆吘?，進(jìn)入星際空間，極大地拓展了人類對(duì)太陽系天體、外日球?qū)拥恼J(rèn)識(shí)。但由于它們所攜帶載荷性能的限制，仍然留下一些懸而未決的重大科學(xué)問題。
▲美國旅行者1號(hào)探測(cè)器。（圖片來源：美國公共電視網(wǎng)官網(wǎng)）
“實(shí)施太陽系邊際探測(cè)任務(wù)，首先可以對(duì)太陽系的大行星及其衛(wèi)星、小行星、半人馬小行星、柯伊伯帶天體、彗星等天體進(jìn)行探測(cè)，這對(duì)于了解人類家園、構(gòu)建太陽系演化知識(shí)體系至關(guān)重要?！蓖醭啾硎?。
此外，通過對(duì)黃道云和柯伊伯帶塵云、日球?qū)咏Y(jié)構(gòu)、鄰近星際介質(zhì)特性及其與太陽風(fēng)的相互作用、等離子體、磁場、中性成分、宇宙線等的探測(cè)，也將有助于“考古”，理解太陽系的起源和演化。
據(jù)悉，國際上對(duì)于太陽系的探測(cè)，存在嚴(yán)重的“內(nèi)外失衡”現(xiàn)象，對(duì)于太陽系邊際乃至更遠(yuǎn)的星際空間還缺乏有效的探測(cè)手段，一個(gè)專門的太陽系邊際探測(cè)計(jì)劃，蘊(yùn)含著巨大的科學(xué)價(jià)值。
▲人類探測(cè)器在太陽系邊界飛行位置示意圖（截止2020年1月）。（圖片來源：ourplant網(wǎng)站）
王赤表示，探測(cè)太陽系邊際，一是能夠在恒星系起源與演化、太陽系外物質(zhì)組成與特性、日球?qū)犹栵L(fēng)動(dòng)力學(xué)過程等方面，獲得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn);二是有利于推動(dòng)星載新型高效能源，推進(jìn)超遠(yuǎn)距離深空測(cè)控通信、深空自主技術(shù)等尖端空間技術(shù)的跨越式可持續(xù)發(fā)展;三是可構(gòu)建中國航天器在太陽系全域到達(dá)能力，初步具備恒星際空間探索能力，帶動(dòng)中國科技水平與創(chuàng)新能力的大幅提升。
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中國太陽系邊際探測(cè)任務(wù)起航
在2021年中國航天日上，中國探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁宣布，中國的太陽系邊際探測(cè)任務(wù)，已經(jīng)于去年開始進(jìn)入實(shí)施方案論證階段，“希望在我們新中國100周年的時(shí)候，中國的探測(cè)器能夠飛到100個(gè)天文單位,大概150億公里的地方，要看看太陽風(fēng)和宇宙風(fēng)的平衡點(diǎn)到底是什么樣子，實(shí)現(xiàn)日球?qū)尤病⒋笮行锹佑?、太陽系考古等科學(xué)目標(biāo)?！?/p>
受探測(cè)器飛行速度的制約，木星、土星等天體間相對(duì)位置不斷變化的影響，抵達(dá)太陽系邊際需要約30年的時(shí)間。
中國首次太陽系邊際探測(cè)任務(wù)預(yù)計(jì)將于2025年前后發(fā)射，歷經(jīng)漫長路程，抵達(dá)150億公里左右的太陽系邊際區(qū)域，開展科學(xué)探測(cè)和在軌試驗(yàn)。從美國等國家的外太陽系探測(cè)經(jīng)驗(yàn)來看，在飛抵太陽系邊際的途中，必須提高探測(cè)任務(wù)的“性價(jià)比”，邊飛邊探，途中擇機(jī)開展外太陽系行星、小天體等目標(biāo)的探測(cè)工作。
關(guān)于中國太陽系邊際探測(cè)任務(wù)目標(biāo)，吳偉仁在文章《太陽系邊際探測(cè)研究》中提出設(shè)想，預(yù)計(jì)從三個(gè)方面著手。
一是日球?qū)颖羌夥较虻奶綔y(cè)，探測(cè)器沿黃道面附近、飛行指向天域?yàn)殂y河系中央方位，揭示太陽風(fēng)和星際風(fēng)的相互作用、異常宇宙線的產(chǎn)生機(jī)制。
二是日球?qū)游膊糠较虻奶綔y(cè)，探測(cè)器沿黃道面附近、飛行指向天域?yàn)楸畴x銀河系中央的方位，在飛抵太陽系邊際的途中擇機(jī)開展冰巨星、半人馬族小天體等多目標(biāo)探測(cè)。
三是日球?qū)訕O區(qū)方向的探測(cè)，探測(cè)器垂直黃道面、飛行指向天域?yàn)樘枠O區(qū)方位，實(shí)現(xiàn)太陽高緯的就位探測(cè)及恒星際物質(zhì)特性探測(cè)，開展宇宙線在日球?qū)拥娜涨蜓h(huán)機(jī)理、日球?qū)拥耐獠坑钪嫖镔|(zhì)作用機(jī)理等研究。
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探測(cè)任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)難題有哪些？
太陽系邊際探測(cè)是一項(xiàng)極具創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的系統(tǒng)工程，是當(dāng)前最困難的深空探測(cè)任務(wù)之一。
“為盡快抵達(dá)目標(biāo)天域開展科學(xué)探測(cè)，探測(cè)器需以盡可能快的速度飛行，同時(shí)也要為保證極暗、極寒條件下，探測(cè)器的供電保溫和極遠(yuǎn)距離下的遙測(cè)控制工作?！蓖醭嗾f。此外，由于飛行距離遠(yuǎn)，任務(wù)周期可長達(dá)數(shù)十年，這對(duì)航天探測(cè)器的元器件材料、星載系統(tǒng)和深空遙測(cè)技術(shù)等都提出更高的要求。
未來的中國太陽系探測(cè)器長什么樣呢？有專家建議將采用國際上成熟同位素發(fā)電機(jī)作為能源，在推進(jìn)方式和運(yùn)載火箭選型的方面有所不同。
▲中國太陽系邊界探測(cè)器的外形概念圖。（圖片來源：《太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)問題》）
盡管困難重重，但隨著航天技術(shù)的發(fā)展，太陽系邊際是未來深空探測(cè)的重要方向之一，將是繼月球、火星及系內(nèi)其他天體之后，人類認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口。“嫦娥”系列、天問一號(hào)是中國空間探測(cè)的高起點(diǎn)起步，未來中國將有更多航天器被送往太空，探索宇宙和生命的奧秘。
參考資料：
1.中國要去小天體還要去太陽系邊際 中青報(bào)記者 邱晨輝
2.中科院院士王赤：我國將研制新的科學(xué)衛(wèi)星探索宇宙和太陽系的形成 揚(yáng)子晚報(bào)記者 楊甜子
3.探測(cè)太陽系邊際，中國有自己的構(gòu)想 科技日?qǐng)?bào)記者 劉園園
4.太陽系邊際探測(cè)研究 - 中國科學(xué): 信息科學(xué) 作者 吳偉仁
5.太陽系邊際探測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)問題 - 深空探測(cè)學(xué)報(bào) 作者：王赤
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