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80150AU（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
　　出品：科普中央厨房
　　监制：北京科技报科学加客户端
　　欢迎朋友圈转发
　　公众号、报刊等转载
　　请发邮件至bjkjbeditor163。com
　　未经授权谢绝转载，违者必究
　　阅读更多权威有用的科普文章、了解更多精彩科技活动，请下载科学加客户端。