【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

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文/天空之城團隊

 

當地時間,1977年9月5日,美國的旅行者1號探測器發射升空,展開了自己的星際之旅。

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

在飛行的過程中,它經歷了木星和土星的兩次加速,獲得了更高的飛行速度,直到今天依然保持著人類最快探測器的紀錄,以每秒17公里的速度向宇宙深處飛去。截至2020年1月12日,在經歷了42年多的飛行後,旅行者1號探測器已經飛出了152.2個天文單位,約合228億公里。

根據一部分人的說法,旅行者1號探測器已經飛出了太陽系。但實際上,它突破的僅僅是太陽系的日球層。

我們知道,太陽在進行核聚變的同時,會向宇宙中釋放出大量的電磁輻射和高能等離子體。與此同時,宇宙中也充斥著其他天體所產生的輻射。在靠近太陽的區域,太陽輻射更強,蓋過了宇宙輻射的風頭;而在遠離太陽的地方,太陽的輻射就會變成強弩之末,非常微弱。

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

在距離太陽120個天文單位(180億公里)處,兩種輻射大致能達成平衡。這片區域以內就叫做太陽系的日球層,交界處就叫做日球層頂。當然了,由於人類對這片區域的瞭解還比較有限,因此日球層的形狀和范圍仍然無法最終確認。而旅行者1號所突破的,僅僅是日球層。

可是,突破了日球層就算離開太陽系了嗎?

遠遠沒有。

即使突破了日球層,旅行者1號還要受到太陽引力的束縛。儘管它的速度的確突破了第三宇宙速度,不出意外就會一直飛向宇宙深處,不會再回頭了,但是在太陽的引力作用下,它還是會一邊飛越一邊減速的。

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根據科學家們的分析,太陽系的引力半徑可能達到了1-2光年。這意味著,即使考慮完全不減速的情況,再飛20000年的時間,旅行者1號恐怕都無法擺脫太陽系的引力。至於飛到比鄰星(4.22光年)那麼遠的距離,70000年的時間都不夠。

難道我們真的無法突破太陽系了嗎?

有人提出了一種新的思路:太陽系不是扁的嗎?如果朝南或者北飛行,不就可以了嗎?

對不起,不行。

想要解釋這個問題,首先我們要知道:為何太陽系是扁平的。

在50億年前的時候,太陽系所在的位置還沒有任何天體,只有一片非常廣袤的星際氣體及塵埃。就是它們,形成了今天的太陽系。

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

首先,在靜電力的作用下,有少數微粒結合在了一起,打破了這裡的引力平衡。接下來,越來越多的微粒逐漸向這裡下落並結合,最終結合成了一個品質達到2000億億億噸的天體——太陽。由於品質過於巨大,內部產生了恐怖的溫度和壓力,迫使氫原子相互結合,聚變為氦,於是太陽開始發光發熱。

這個時候,那片原始星雲中還剩下許多的微粒。它們也開始相互聚集,形成了一個個天體,也就是今天我們看到的行星、小行星、彗星等各種各樣的天體。

不論是太陽的形成還是其他天體的形成,其物質下落的時候都不可能完全向質心下落,在這種情況下,就會出現角動量,最終導致的結果就是天體的自轉,以及天體繞太陽的公轉。

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

由於我們是處於三維的時空之中,因此這種旋轉的對稱軸自然是一條直線,而垂直於這條直線的就是一個平面了。當然,剛開始的時候,太陽系的確不是平面的,而是接近球狀的。但是垂直於自轉軸的平面內天體可以在引力作用下規范地運動,而不在這個平面的天體會彼此吸引甚至碰撞。由於最初太陽系是均勻的,所以它們碰頭的地方就是集中在剛才那個旋轉平面上,導致太陽系基本是平的,包括我們的銀河系也是如此。

當然了,實際情況肯定不會是那麼完美的,太陽系內的各個天體,也並沒有完全處在同一個平面內。一般來說,我們會把地球的公轉作為基準,將地球公轉過程中太陽方向掃過的平面定義為黃道面,而其他天體繞太陽公轉的時候與黃道面形成的夾角就被稱為軌道傾角。

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在太陽系內,除了地球因為人類的定義擁有0°的軌道傾角,其他天體的軌道傾角都不是0。八大行星中天王星軌道傾角最小,只有0.77°,最大的是水星,達到了7.01°。

你可能以為這種軌道傾角與距離有關,其實不然。再看看冥王星,軌道傾角達到了17.15°!也就是說,如果按照當初「九大行星」的說法,軌道傾角最大的兩個天體一個距離太陽最遠,一個距離太陽最近。實際上,除了冥王星之外,柯伊伯帶的很多天體都有著非常高的軌道傾角,這也令科學家們非常困惑。

好了,回到最初的問題:就算有軌道傾角,但太陽系天體基本都處於同一個平面內。如果我們想要逃離太陽系,垂直飛行不是更便捷嗎?

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

(圖片說明:太陽系主要天體軌道傾角示意圖)

其實,這個問題在剛才就已經解答了。我們說過,人類探測器要真正逃離太陽系,那就要徹底擺脫太陽的束縛,也就是引力的影響。雖然太陽系的天體是處在同一個平面內,但太陽的引力在各個方向上都是一樣的。因此,即使是垂直于黃道面飛行,也需要相同的路程才能夠飛出太陽系。

這是解釋了垂直飛行沒有優勢,接下來我們說說這種模式有什麼劣勢。

【腦洞系列】既然太陽系是一個平面,如果航天器垂直飛,不就突破太陽系了

首先,就像我們說的,旅行者1號在飛行過程中,分別利用木星和土星進行了兩次引力彈弓效應,實現了加速。如果探測器垂直於太陽系天體的平面飛行的話,將會錯過天體和利用天體加速的機會。

其次,不論是旅行者1號、2號還是新地平線號探測器,其飛行的目的是什麼?僅僅是為了試試能不能飛出太陽系嗎?當然不是,誰會為了這種僅僅滿足好奇心就耗資數億美元呢?說到底,它們是為了進行太空探測。如果它們垂直飛行,路上沒有任何天體,那又是去探測什麼呢?

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所以說,垂直於天體平面進行飛行,非但完全不可能解決突破太陽系的問題,反而是竹籃打水一場空,科學家才不會做這麼無意義的事情。

 

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