2049年奔向太阳系边际！院士带你望向深空

　　中国已启动太阳系边际探测工程论证！为什么要探测？有哪些技术难题？国家空间科学中心王赤院士揭开太阳系边际探测的关键科学问题。
　　撰文/记者 何从 图文编辑/陈永杰
　　新媒体编辑/房永珍
　　采访专家：
　　王　赤（中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任）
　　4月24日于南京举行的2021年中国航天大会主论坛上，中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤作题为《太阳系边际探测关键科学问题》的报告，报告中透露，中国已经启动太阳系边际探测工程论证工作。
　　中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤（图片来自网络） 太阳系边缘是什么样的？
　　太阳系边界离我们有多遥远？太阳系的边界到底在哪里？这是一个难以回答的问题，因为太阳系边界与国界、区域界限不同，在宇宙中并不存在一个明显的固定边界。长期以来，关于太阳系边界问题，科学家也是争论不定。
　　其实，太阳系边界在哪里与人们的定义有关。以前，科学家把在太阳引力作用下运动的天体，看作太阳系成员，把太阳引力所及的范围视为太阳系边界，冥王星一度被认为是受太阳引力作用的最遥远的第九大行星，所以认为冥王星位于太阳系的边界。
　　太阳系边际物质构成示意图。（图片来源：《太阳系边际探测项目的科学问题》）
　　后来随着科技进步，发现原来引力可以无限延伸，太阳的引力可以延伸到银河系以外。然而，根据万有引力定律，引力和距离的平方成反比，因此在很大的距离上，太阳引力的实际作用很小。
　　关于太阳系边际，目前主要有两种定义:一是以太阳风控制范围作为依据，太阳风与星际介质相互作用形成的边界区域，距太阳约为80-150AU(1AU为一个天文单位，相当于一个日地距离，约1.5亿公里)。二是以太阳引力控制范围作为依据，太阳系边际位于奥尔特云附近，距离太阳约为5万-10万AU。
　　太阳系重要天体和奥尔特云示意图。（图片来源：维基百科）
　　太阳系边际是什么样呢？太阳系的核心，太阳通过光和热辐射向广阔的宇宙空间输送能量。大家冬季用＂小太阳＂取暖的时候，离它越近，就越觉得热，反之离得较远，热量就明显减少。太阳的光和热也是这样，它们输送到太阳系边缘时已变得十分微弱。所以，太阳系边界既是暗无天日的，又是冷若冰霜的，而且由于与星际空间相邻，除了一些冰冻小天体，物质稀薄到近乎真空的程度。 为什么要去探测？
　　既然太阳系边际暗无天日 ，物质还稀薄，干嘛还要去探测它？＂对太阳系边际探测能够揭示日球层物理、太阳系演化、恒星际物理等重大科学问题。＂中国科学院院士王赤在接受记者采访时说。
　　据悉，中国已经启动太阳系边际探测工程论证工作，开展太阳风动力学演化及其与星际介质相互作用机制、太阳系演化与外太阳系天体分布特征等相关研究，感知地球家园深空环境，揭秘外太阳系典型天体。
　　＂太阳系边际探测工程将实现无人区探索、日球层全貌、大行星掠影、太阳系考古四大科学目标。＂王赤介绍。
　　在1977年，美国发射的＂旅行者1号＂和＂旅行者2号＂探测器，已陆续飞出日球层边缘，进入星际空间，极大地拓展了人类对太阳系天体、外日球层的认识。但由于它们所携带载荷性能的限制，仍然留下一些悬而未决的重大科学问题。
　　美国旅行者1号探测器。（图片来源：美国公共电视网官网）
　　＂实施太阳系边际探测任务，首先可以对太阳系的大行星及其卫星、小行星、半人马小行星、柯伊伯带天体、彗星等天体进行探测，这对于了解人类家园、构建太阳系演化知识体系至关重要。＂王赤表示。
　　此外，通过对黄道云和柯伊伯带尘云、日球层结构、邻近星际介质特性及其与太阳风的相互作用、等离子体、磁场、中性成分、宇宙线等的探测，也将有助于＂考古＂，理解太阳系的起源和演化。
　　据悉，国际上对于太阳系的探测，存在严重的＂内外失衡＂现象，对于太阳系边际乃至更远的星际空间还缺乏有效的探测手段，一个专门的太阳系边际探测计划，蕴含着巨大的科学价值。
　　人类探测器在太阳系边界飞行位置示意图（截止2020年1月）。（图片来源：ourplant网站）
　　王赤表示，探测太阳系边际，一是能够在恒星系起源与演化、太阳系外物质组成与特性、日球层太阳风动力学过程等方面，获得重大科学发现;二是有利于推动星载新型高效能源，推进超远距离深空测控通信、深空自主技术等尖端空间技术的跨越式可持续发展;三是可构建中国航天器在太阳系全域到达能力，初步具备恒星际空间探索能力，带动中国科技水平与创新能力的大幅提升。 中国太阳系边际探测任务起航
　　在2021年中国航天日上，中国探月工程总设计师吴伟仁宣布，中国的太阳系边际探测任务，已经于去年开始进入实施方案论证阶段，＂希望在我们新中国100周年的时候，中国的探测器能够飞到100个天文单位,大概150亿公里的地方，要看看太阳风和宇宙风的平衡点到底是什么样子，实现日球层全貌、大行星掠影、太阳系考古等科学目标。＂
　　受探测器飞行速度的制约，木星、土星等天体间相对位置不断变化的影响，抵达太阳系边际需要约30年的时间。
　　中国首次太阳系边际探测任务预计将于2025年前后发射，历经漫长路程，抵达150亿公里左右的太阳系边际区域，开展科学探测和在轨试验。从美国等国家的外太阳系探测经验来看，在飞抵太阳系边际的途中，必须提高探测任务的＂性价比＂，边飞边探，途中择机开展外太阳系行星、小天体等目标的探测工作。
　　关于中国太阳系边际探测任务目标，吴伟仁在文章《太阳系边际探测研究》中提出设想，预计从三个方面着手。
　　一是日球层鼻尖方向的探测，探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为银河系中央方位，揭示太阳风和星际风的相互作用、异常宇宙线的产生机制。
　　二是日球层尾部方向的探测，探测器沿黄道面附近、飞行指向天域为背离银河系中央的方位，在飞抵太阳系边际的途中择机开展冰巨星、半人马族小天体等多目标探测。
　　三是日球层极区方向的探测，探测器垂直黄道面、飞行指向天域为太阳极区方位，实现太阳高纬的就位探测及恒星际物质特性探测，开展宇宙线在日球层的全日球循环机理、日球层的外部宇宙物质作用机理等研究。  探测任务关键技术难题有哪些？
　　太阳系边际探测是一项极具创新和挑战的系统工程，是当前最困难的深空探测任务之一。
　　＂为尽快抵达目标天域开展科学探测，探测器需以尽可能快的速度飞行，同时也要为保证极暗、极寒条件下，探测器的供电保温和极远距离下的遥测控制工作。＂王赤说。此外，由于飞行距离远，任务周期可长达数十年，这对航天探测器的元器件材料、星载系统和深空遥测技术等都提出更高的要求。
　　未来的中国太阳系探测器长什么样呢？有专家建议将采用国际上成熟同位素发电机作为能源，在推进方式和运载火箭选型的方面有所不同。
　　中国太阳系边界探测器的外形概念图。（图片来源：《太阳系边际探测项目的科学问题》）
　　尽管困难重重，但随着航天技术的发展，太阳系边际是未来深空探测的重要方向之一，将是继月球、火星及系内其他天体之后，人类认识宇宙的新窗口。＂嫦娥＂系列、天问一号是中国空间探测的高起点起步，未来中国将有更多航天器被送往太空，探索宇宙和生命的奥秘。
　　参考资料：
　　1.中国要去小天体还要去太阳系边际 中青报记者 邱晨辉
　　2.中科院院士王赤：我国将研制新的科学卫星探索宇宙和太阳系的形成 扬子晚报记者 杨甜子
　　3.探测太阳系边际，中国有自己的构想 科技日报记者 刘园园
　　4.太阳系边际探测研究 - 中国科学: 信息科学 作者 吴伟仁
　　5.太阳系边际探测项目的科学问题 - 深空探测学报 作者：王赤
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