NASA

各國的太陽物理探測器組成的艦隊可以被認為是一個單獨的天文臺——太陽物理學系統天文臺(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熱點恰恰是遠離太陽——太陽系邊際探測。在近日召開的香山科學會議上，專家們提出了中國進行太陽系邊際探測的構想。

中國的探測分兩步走

所謂太陽系邊際，是指太陽風與星際介質相互作用形成的邊界區域，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研究的前沿領域，國際上僅美國實施了旅行者行星際探測計劃等少數幾次探測活動。”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，新世紀以來，伴隨著工程技術的發展和科學認知的不斷提升，太陽系邊際逐漸成為國際空間科學研究的前沿熱點。

吳偉仁在會議報告中提出了中國的“兩步走”太陽系邊際探測構想：近期目標是2049年實現對100AU以遠的太陽系邊際探測，開展日球層大尺度三維空間特性及外太陽系典型天體探測、太陽風邊際及鄰近恒星際空間物質特性探測;遠期目標是突破1000AU，抵太陽引力透鏡焦點區域開展太陽引力透鏡效應觀測和廣義相對論驗證。

圍繞近期目標，吳偉仁設想從三個方面著手。

一是日球層鼻尖方向的探測，探測器沿黃道面附近、飛行指向天域為銀河系中央方位，揭示太陽風和星際風的相互作用、異常宇宙線的產生機制;二是日球層尾部方向的探測，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探測;三是日球層極區方向的探測，探測器垂直黃道面、飛行指向天域為太陽極區方位，實現太陽高緯的就位探測及恒星際物質特性探測，開展宇宙線在日球層的全日球循環機理、日球層的外部宇宙物質作用機理等研究。

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

“在向太陽系邊際進軍方面，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驗，但現階段各個國家、地區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：‘先驅者10號’‘先驅者11號’‘旅行者1號’‘旅行者2號’，以及探索冥王星的‘新視野’號。”中國空間技術研究院總體部研究員孟林智介紹。

以美國NASA在40多年前發射的“旅行者1號”“旅行者2號”為例。澳門科技大學、臺灣國立中央大學研究員葉永烜介紹，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入恒星際空間。它們途中所得的科學成果和發現，刷新了我們對木星、土星、天王星、海王星及它們衛星系統的認識，也成為現今下一波的深空探測工作的基礎。

“自空間時代以來，大量航天器進入空間軌道，極大地拓展了人類的認知。”王赤認為，盡管如此，國際上對于太陽系的探測存在非常嚴重的“內外失衡”的現象，對于太陽系邊際乃至更遠的星際空間還缺乏有效的探測手段。一些重大科學謎團也長期處于懸而未決的狀態。

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價值。

首先，可以對太陽系的大行星及其衛星、小行星、半人馬小行星、柯伊伯帶天體、彗星等天體進行順訪探測，對于了解人類家園、構建四維太陽系演化知識體系至關重要。

此外，通過對黃道云和柯伊伯帶塵云、黃道光和河外背景光、日球層結構、鄰近星際介質特性及其與太陽風的相互作用、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。

對航天技術提出新考驗

“太陽系邊際探測任務不僅可以填補空間物理、空間天文和行星科學等方面的研究空白，還具有顯著的技術發展牽引作用。”中國空間技術研究院研究員黃江川認為。

黃江川介紹，其中包括先進指標載荷技術、超遠距離行星際測控通信、超長壽命空間產品保證以及微納功能設計與實現等技術。另外，還將推動核電推進、太陽帆推進、電帆推進、定向能推進等前沿技術和相應任務概念的探索性研究，為人類共同期待的未來星際探測的發展做出應有貢獻。

對極遠、極暗、極寒的太陽系邊際進行探測，也是一項艱巨的挑戰。

“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、木星等氣態大行星系，跨越柯伊伯帶。”黃江川說。

孟林智認為，開展太陽系邊際探測具有多方面的鮮明特點，例如探測目標多、任務復雜、距離跨度大、環境多變，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提出全新考驗，深空測控系統就是其中之一。這種系統是深空探測的重要組成部分，主要承擔對深空探測器各工作階段的測量、導航和控制等工作。

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

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