NASA

各國的太陽物理探測器組成的艦隊可以被認(rèn)為是一個單獨的天文臺——太陽物理學(xué)系統(tǒng)天文臺(HSO)。

美國國家航空航天局(NASA)的帕克太陽探測器近日打破了歷史記錄，成為迄今距離太陽最近的探測器。

如果說帕克在與太陽親密接觸方面刷新了歷史，太空探測的另一前沿?zé)狳c恰恰是遠(yuǎn)離太陽——太陽系邊際探測。在近日召開的香山科學(xué)會議上，專家們提出了中國進(jìn)行太陽系邊際探測的構(gòu)想。

中國的探測分兩步走

所謂太陽系邊際，是指太陽風(fēng)與星際介質(zhì)相互作用形成的邊界區(qū)域，距離太陽80—150 AU(1AU為地球到太陽的距離，約1.5億公里)。

“太陽系邊際一直是國際空間科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，國際上僅美國實施了旅行者行星際探測計劃等少數(shù)幾次探測活動。”中國工程院院士、國家航天局探月與航天工程中心研究員吳偉仁說，新世紀(jì)以來，伴隨著工程技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)認(rèn)知的不斷提升，太陽系邊際逐漸成為國際空間科學(xué)研究的前沿?zé)狳c。

吳偉仁在會議報告中提出了中國的“兩步走”太陽系邊際探測構(gòu)想：近期目標(biāo)是2049年實現(xiàn)對100AU以遠(yuǎn)的太陽系邊際探測，開展日球?qū)哟蟪叨热S空間特性及外太陽系典型天體探測、太陽風(fēng)邊際及鄰近恒星際空間物質(zhì)特性探測;遠(yuǎn)期目標(biāo)是突破1000AU，抵太陽引力透鏡焦點區(qū)域開展太陽引力透鏡效應(yīng)觀測和廣義相對論驗證。

圍繞近期目標(biāo)，吳偉仁設(shè)想從三個方面著手。

一是日球?qū)颖羌夥较虻奶綔y，探測器沿黃道面附近、飛行指向天域為銀河系中央方位，揭示太陽風(fēng)和星際風(fēng)的相互作用、異常宇宙線的產(chǎn)生機制;二是日球?qū)游膊糠较虻奶綔y，探測器沿黃道面附近、飛行指向天域為背離銀河系中央的方位，在飛抵太陽系邊際的途中擇機開展冰巨星、半人馬族小天體等多目標(biāo)探測;三是日球?qū)訕O區(qū)方向的探測，探測器垂直黃道面、飛行指向天域為太陽極區(qū)方位，實現(xiàn)太陽高緯的就位探測及恒星際物質(zhì)特性探測，開展宇宙線在日球?qū)拥娜涨蜓h(huán)機理、日球?qū)拥耐獠坑钪嫖镔|(zhì)作用機理等研究。

中科院國家空間科學(xué)中心研究員王赤介紹，在向太陽進(jìn)軍方面，NASA今年成功發(fā)射帕克太陽探測器，最近將距離太陽8.5倍太陽半徑，中國要想在短期內(nèi)實現(xiàn)追趕和超越并不現(xiàn)實。

“在向太陽系邊際進(jìn)軍方面，國際上還沒有一個專門的就位探測計劃得以實施。盡管美國擁有較多經(jīng)驗，但現(xiàn)階段各個國家、地區(qū)和組織還基本處于同一起跑線上。”王赤說。

有助理解太陽系起源

人類的探測活動，每向太空深入一步，都會極大地刷新我們對宇宙的認(rèn)知。探索太陽系邊際更是具有里程碑意義。

“迄今為止，人類有5個探測器處于最終將離開太陽系的軌道：‘先驅(qū)者10號’‘先驅(qū)者11號’‘旅行者1號’‘旅行者2號’，以及探索冥王星的‘新視野’號。”中國空間技術(shù)研究院總體部研究員孟林智介紹。

以美國NASA在40多年前發(fā)射的“旅行者1號”“旅行者2號”為例。澳門科技大學(xué)、臺灣國立中央大學(xué)研究員葉永烜介紹，這兩個探測器已飛越各個外行星，如今已穿過太陽系邊際進(jìn)入恒星際空間。它們途中所得的科學(xué)成果和發(fā)現(xiàn)，刷新了我們對木星、土星、天王星、海王星及它們衛(wèi)星系統(tǒng)的認(rèn)識，也成為現(xiàn)今下一波的深空探測工作的基礎(chǔ)。

“自空間時代以來，大量航天器進(jìn)入空間軌道，極大地拓展了人類的認(rèn)知。”王赤認(rèn)為，盡管如此，國際上對于太陽系的探測存在非常嚴(yán)重的“內(nèi)外失衡”的現(xiàn)象，對于太陽系邊際乃至更遠(yuǎn)的星際空間還缺乏有效的探測手段。一些重大科學(xué)謎團(tuán)也長期處于懸而未決的狀態(tài)。

在王赤看來，一個專門的太陽系邊際探測計劃蘊含著巨大的科學(xué)價值。

首先，可以對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)行順訪探測，對于了解人類家園、構(gòu)建四維太陽系演化知識體系至關(guān)重要。

此外，通過對黃道云和柯伊伯帶塵云、黃道光和河外背景光、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，也將有助于理解太陽系的起源和演化。

對航天技術(shù)提出新考驗

“太陽系邊際探測任務(wù)不僅可以填補空間物理、空間天文和行星科學(xué)等方面的研究空白，還具有顯著的技術(shù)發(fā)展?fàn)恳饔谩?rdquo;中國空間技術(shù)研究院研究員黃江川認(rèn)為。

黃江川介紹，其中包括先進(jìn)指標(biāo)載荷技術(shù)、超遠(yuǎn)距離行星際測控通信、超長壽命空間產(chǎn)品保證以及微納功能設(shè)計與實現(xiàn)等技術(shù)。另外，還將推動核電推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、電帆推進(jìn)、定向能推進(jìn)等前沿技術(shù)和相應(yīng)任務(wù)概念的探索性研究，為人類共同期待的未來星際探測的發(fā)展做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

對極遠(yuǎn)、極暗、極寒的太陽系邊際進(jìn)行探測，也是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

“從地球穿越太陽系邊際，一般需要約30年時間。探測器將飛越小行星帶、木星等氣態(tài)大行星系，跨越柯伊伯帶。”黃江川說。

孟林智認(rèn)為，開展太陽系邊際探測具有多方面的鮮明特點，例如探測目標(biāo)多、任務(wù)復(fù)雜、距離跨度大、環(huán)境多變，自主性、可靠性要求高，壽命長、動力需求大、功能高度集成等。

這些特點將對航天技術(shù)提出全新考驗，深空測控系統(tǒng)就是其中之一。這種系統(tǒng)是深空探測的重要組成部分，主要承擔(dān)對深空探測器各工作階段的測量、導(dǎo)航和控制等工作。

“隨著深空探測距離成千上萬倍的增大和探測目標(biāo)的不斷增多，信號衰減、傳輸時延、動態(tài)范圍、任務(wù)規(guī)劃等因素對深空測控系統(tǒng)的功能和性能都提出了更高要求，采用新技術(shù)、探索新方法成為未來深空測控系統(tǒng)發(fā)展的必然需求。”北京跟蹤與通信技術(shù)研究所研究員李贊說。

專家認(rèn)為，太陽系邊際探測的開展依賴于航天技術(shù)的進(jìn)步和國家綜合實力的提高。相對于月球、火星、木星等系內(nèi)天體探測，太陽系邊際探測將面臨距離更遙遠(yuǎn)、飛行時間更長、數(shù)據(jù)傳輸速率更低、深空環(huán)境更復(fù)雜等一系列難題。(記者 劉園園)

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