地球之外 真有一層氣泡嗎

在2023年11月4日, 旅行者一號突然陷入沉默, 只發回了一串意味深長的二進制數據, 似乎這艘冒險飛出太陽系的航天器永遠失聯了。 結果發現原因是其機載飛行數據系統出現了內存故障, 飛行數據系統面臨著永久失去通信聯繫的風險。 然而,科學家團隊拒絕放棄, 他們做出了一個大膽的決定, 將代碼重新分配到探測器內存的其他區域。 這一過程始於2024年4月18日, 而且伴隨著巨大的風險。 信號需要22.5個小時才能到達旅行者一號, 而收到回覆也需要同樣長的時間, 每一次嘗試都是踏入未知的一步。 僅僅兩天後,經過數月的緊張工作和期待, 令人難以置信的事情發生了, 旅行者一號重新建立了聯繫。 旅行者一號在太陽系邊緣有哪些非凡的發現? 為什麼它與科學家們的想像如此不同? 在旅行者一號數月的詭異沉默後, 發送的神祕信號裡又包含了什麼? 在20世紀70年代後期, 太陽系中發生了一件罕見的事情, 行星排成一線,這種情況每175年才會發生一次。 在那一刻,氣態巨行星排列在太陽系的一側, 為在一次任務中研究它們創造了獨特的機會, NASA抓住了這個機會, 旅行者一號在其孿生探測器旅行者二號之後發射升空。 由於其更快的軌道, 它的速度達到了每小時61200公里, 而旅行者二號的速度是每小時55300公里。 發射僅僅13天後, 它就從1158萬公里外拍攝到了一張具有歷史意義的地球和月球的照片, 這張照片成為了它們偉大旅程開始的象徵。 1979年,兩個探測器都抵達了木星, 揭示了木星此前不為人知的光環, 發現了三顆新衛星,並拍攝到了其最大衛星的詳細圖像。 它們證實了木衛三蓋尼米德是太陽系中最大的衛星, 而在此之前,人們認為土衛六太坦是最大的。 它們還發現木衛二歐羅巴的表面覆蓋著光滑的冰層, 布滿了裂縫, 正是這些數據催生了木衛二存在地下海洋的假設, 我們在另一期視頻中對此有過介紹。 此外,科學家們首次近距離觀測到了木星的大紅斑, 這是一場存在了一個世紀之久,比地球還大的風暴。 木星只是它們紅衛旅程的第一站, 利用木星的引力進行加速, 兩個探測器分別由1980年和1981年抵達了土星, 這標誌著旅行者任務的一個轉折點。 最初,該任務計劃只持續四年, 用於研究木星和土星, 但美國國家航空航天局設計的任務軌道使得探索其他行星成為可能。 一個關鍵的決定是近距離飛掠土衛六, 它是太陽系中唯一擁有濃密大氣層的衛星, 最終,旅行者一號被導向土衛六, 這使其失去了繼續旅程的能力, 而旅行者二號則繼續前往天王星和海王星。 探測器傳回了土星及其光環的詳細圖像, 揭示出土星光環由數百個狹窄而複雜的結構環組成。 還發現了四顆新衛星, 其中土衛八一阿波託斯特別引人關注, 它佈滿了許多隕石坑, 最著名的是巨大的赫歇爾隕石坑, 這使得這顆衛星與星球大戰中的死星有著驚人的相似之處。 然而,土衛六帶來了一個令人不快的意外, 它的大氣層對可見光不透明, 這使得我們無法揭開其表面的奧祕。 不過,分析表明,土衛六的溫度接近三象點, 這是一種獨特的條件, 在這種條件下,甲烷的表現類似於地球上的水。 在土星之後,兩個探測器的路徑永遠地分道揚鑣了, 土星的引力顯著改變了旅行者一號的軌道, 使其成為歷史上速度最快的航天器。 與此同時,旅行者二號繼續他的行星之旅, 下一個目標是天王星, 1986年1月,他抵達了天王星, 距離天王星表面僅81800公里, 科學家們驚訝地發現, 天王星與木星和土星截然不同, 七臺巨星星有90%的氫和氦組成, 而天王星僅在其大氣層中含有這些元素, 在其下方是一片油水、鞍、甲烷和硫酸氫組成的海洋, 行星中心是一個由岩石和冰構成的核心。 後來,這種類型的行星被命名為冰巨星, 天王星也被證明是太陽系中最冷的行星, 甚至比海王星還冷。 在收集了天王星的相關數據後, 旅行者二號繼續前往他的最後一個目標, 海王星。 1989年8月,他抵達了海王星, 並且仍然是唯一訪問過太陽系第八顆 也是最遙遠行星的航天器。 1989年8月25日, 旅行者二號拍攝到了海王星的首批細節照片, 為他的偉大之旅畫上了圓滿的句號。 海王星看起來呈現出鮮艷的藍色, 不過後來的數據顯示, 它的真實顏色更接近淡藍色。 當旅行者二號探索天王星和海王星時, 旅行者一號只能羨慕另一艘航天器。 在完成土星任務後, 旅行者一號的引擎以及大部分儀器都停止了工作, 只留下了用於研究環境數據的技術設備。 然而,旅行者一號後來又有了一次創造歷史的機會。 1990年2月14日, 他從60億公里外拍攝到了地球, 地球只是一個微小的淡藍色光點, 大小僅為0.12像素。 這張標誌性的照片被稱為淡藍色圓點, 成為了旅行者一號在兩個探測器上的相機被永久關閉之前拍攝的最後一張照片。 接下來,我們的宇宙旅行者進入了一段長達15年的平靜期, 而這一時期被一件不同尋常的事件所打斷。 2012年8月25日, 旅行者一號的儀器記錄到來自太陽的帶電粒子數量急劇下降, 同時銀河宇宙射線增多, 這意味著該航天器終於進入了恆星際空間, 離開了太陽影響力的範圍,進入星際輻射站主導的區域。 隨後,飛行速度較慢的旅行者二號在2018年11月也跨越了同樣的邊界。 我們太陽系獨特的氣泡結構,日球層, 從太陽向外延伸約175億公里, 它是由太陽風形成的,並在日球層頂結束, 日球層頂是日球層與星際介質之間的邊界。 旅行者號系列是僅有的穿越了這一邊界並離開太陽系的航天器, 它們在那裡的發現引發了科學家們廣泛的興趣和熱烈的討論。 此前,人們認為隨著與太陽距離的增加,太陽風會逐漸減弱, 然而,探測器的數據顯示,太陽風並沒有逐漸消失, 而是到達了一個明顯的邊界。 在這個邊界之外,太陽風的影響消失,星際空間開始。 這意味著太陽風並非簡單地消散,而是改變了方向, 在兩種環境之間形成了一個物理邊界。 太陽風從日球層內部圍繞著日球層頂流動, 而星際等離子體則從外部圍繞著它流動。 我們還能夠確定日球層頂的形狀, 一方面它類似一個球體,而在另一方面它延伸出一條長長的尾巴。 說真的,這種形狀並非固定不變的。 太陽系的邊界在不斷移動, 日球層的表面被以意想不到的不均勻角度出現的巨大波動所扭曲, 這些波動可以達到10個天文單位, 相當於地球與太陽之間距離的10倍,或者約15億公里。 此外,通過研究探測器的數據, 科學家們發現日球層頂在很短的時間內經歷了快速的變化, 這或許可以解釋為什麼兩艘探測器跨越日球層邊界的時間差如此之大, 整整相差了6年。 然而,日球層運動中的這些變化與現有的科學模型相悖, 且仍然無法解釋, 尤其是日球層附近太陽風的溫度和密度令人難以理解。 天體物理學家曾預計, 星際輻射對太陽粒子的衝擊會導致溫度和密度急劇上升, 雖然確實出現了這種情況, 但測量值比理論預測值低了10倍, 這些能量究竟損耗在了何處仍然是個謎。 來自旅行者一號和旅行者二號航天器的數據還顯示, 星際空間由密集且溫度較低的等離子體組成, 而太陽系邊界附近的等離子體溫度更高,密度更低。 這兩種類型的等離子體相互作用, 來自太陽風和星際風的粒子混合, 在日球層和星際空間之間形成了一種邊界層。 不過,太陽與星際空間之間的相互作用還不止於此。 太陽產生的衝擊波能夠穿過日球層進入星際空間, 產生類似於超新星爆發所引發的擾動, 超新星爆發產生的衝擊波會在星際空間中擴散。 多虧了旅行者號科學家們還瞭解到, 星際磁場的強度比此前認為的要強兩到三倍, 這進而意味著星際粒子對日球層施加的壓力比預期的大十倍。 從這種相互作用中獲得的數據, 讓我們能更全面地瞭解太陽與星際空間之間所發生的情況。 這些深刻見解可以應用於天文學家正在研究的所有恆星, 因為人們相信其他恆星系統很可能具有與我們太陽系相同的特性和過程。 在穿越星際空間的整個過程中, 旅行者號一直在向地球發送信號, 傳輸有關其儀器狀態和位置的數據。 然而2022年,在距離地球235億公里之外時, 旅行者一號意外地傳輸了一個奇怪的信號, 它開始傳輸有關其位置的混亂數據, 還有一連串的377, 這個神祕的信號讓科學家們困惑不已。 這組數字序列要麼包含著關鍵信息, 要麼表明航天器出現了故障, 後來發現是後者, 這個問題與航天器的高度控制和機動系統有關。 儘管仍然可以手動控制航天器, 但旅行者一號很可能由於宇宙輻射對其導航系統的影響而失去了對自身位置的精確感知。 美國國家航空航天局NASA的工程師們通過向另一臺星際計算機發送指令, 成功解決了這個問題。 另一個令人擔憂的事件發生在2023年11月14日, 旅行者一號長時間失去信號, 這種情況持續了5個月, 這是由其一塊芯片上的代碼損壞導致的。 為瞭解決這個問題, 團隊決定將代碼重新分配到星際計算機內存的其他區域。 2024年4月18日, 數據傳輸工作開始, 這需要相當長的時間。 發出信號後, 團隊需要等待22.5個小時, 信號才能到達航天器, 然後再等22.5個小時才能收到回應。 到4月20日, 團隊確認操作成功, 5個月後, 科學家們恢復了與旅行者一號的通信, 並確認了它的功能正常。 這些故障提醒我們, 我們的宇宙探索者的壽命已接近尾聲。 美國國家航空航天局希望旅行者號的儀器能一直正常運行到2025年, 之後將開始逐步關閉。 再過幾年, 航天器很可能會在任務50週年紀念前後 失去與地球通信所需的能量, 這將標誌著這個項目的最後篇章。 即使失去聯繫, 這些宇宙旅行者的旅程仍將繼續, 他們可能會目睹許多迷人的現象, 儘管他們將無法再告訴我們這些現象了。 旅行者一號正以每年大約3.5個天文單位的速度遠離我們, 一個天文單位是太陽和地球之間的平均距離, 大約為15億公里。 旅行者一號目前正朝著太陽系周圍的玉夫座方向前進, 在從現在起的38200多年後, 也就是公元40272年, 它將接近小犬座中一顆顯為人知的名為AC加793888的恆星, 距離在1.7光年之內, 它的孿生兄弟旅行者二號正以每年大約3.1個天文單位的速度離開太陽系。 大約4萬年後, 它將接近天兔座中的一顆名為羅斯248的小恆星, 距離在大約1.7光年之內。 目前,旅行者一號距離地球大約249億公里, 而旅行者二號距離地球200億公里。 儘管它們很久以前就穿過了日球層頂, 但說旅行者號已經完全離開了太陽系並不完全準確。 科學家們認為, 太陽系包含了處於太陽引力影響範圍內的所有事物。 如今, 有一種假設認為, 這種引力影響的最終邊界是奧爾特雲, 這是一個假設地圍繞太陽系的星際區域, 它是週期性進入我們行星系統的彗星的來源。 奧爾特雲有兩個不同的區域, 螺旋狀的外爾特雲和內部盤狀區域。 據估計, 奧爾特雲外緣到太陽的距離範圍是從5萬到10萬個天文單位, 這相當於光在一年中傳播的距離。 旅行者一號大約需要300年才能到達奧爾特雲的內邊緣, 並且可能需要大約3萬年才能穿越它, 這標誌著它最終離開了太陽系。 如果在它們遙遠的旅途中, 航天器遇到了外星生命, 它們配備了由一組科學家準備的信息。 這些信息包括記錄在一張杜金同志唱片上的影像資料, 唱片中大約四分之三的內容是音樂。 這張唱片還包含了用各種語言表達的問候語, 來自美國總統和聯合國祕書長的信息, 地球上的聲音, 人類的聲音, 鯨的歌聲, 腦電波記錄等等。 這些內容足以讓外星人去探索和了解, 但如果旅行者號永遠都未被發現, 它們將繼續在黑暗寒冷的星際空間中平靜地漂泊。 它們仍然是人類對知識追求的象徵, 也向宇宙提醒著來自那個淡藍色小星球上居民的雄心和希望。 在1977年, 旅行者一號和旅行者二號在不到一個月的時間內 分別從卡納維拉爾角發射升空。 順便說一下, 旅行者二號更早發射, 但由於它的飛行路徑不同, 它在發射六年後才飛到我們太陽系的邊緣。 隨後, 這兩個探測器都發現了一個非常奇怪的異常現象, 當你遠離太陽時, 空間的密度會增加。 星際空間通常被認為是真空, 但這並不完全正確, 物質的密度極低, 但它仍然存在。 在太陽系中, 太陽風的平均密度為每立方厘米三到十個粒子, 而且離太陽越遠, 其密度越低。 在太陽系邊緣空間的密度更小, 這個邊界被稱為日球層頂。 在日球層頂上, 太陽風的速度降為零, 太陽和日球層頂之間的區域被稱為日球層。 這是一種氣泡狀結構, 太陽系的所有行星都處於其中。 在這個邊界處, 質子和電子的密度是每立方厘米零點零零二個粒子。 根據計算, 日球層頂之後, 也就是在星際空間中的粒子密度, 應該是每立方厘米零點零三七個粒子。 旅行者2號的儀器顯示, 在距離太陽約179億公里處, 太陽系外的粒子密度是每立方厘米零點零三九個粒子, 這幾乎與計算結果相符。 但隨後問題出現了, 在距離太陽185億公里處, 密度為每立方厘米零點一二個粒子。 為什麼密度會增加呢? 我們稍後肯定會談到這個問題。 但現在, 讓我們來談談另一個比日球層大得多的氣泡。 這樣你就能領略到宇宙的奇妙之處, 它把我們一下子裝進了兩個氣泡中, 並且能理解它們之間的關係。 當你看到深空的圖片時, 你會覺得它充滿了星際塵埃雲和氣態發光物質。 但在上世紀六七十年代, 天文學家開始注意到這樣一個事實, 太陽周圍的銀河系空間是彌散的。 從這張圖片上看, 太陽系似乎懸浮在幾乎絕對的虛空中。 今年, 哈佛史彌森天體物理中心的科學家們證實, 沒錯, 我們確實處於某種虛空之中。 他們進行了最複雜的計算機模擬, 對空間和時間進行了三維重建。 研究表明, 太陽和地球幾乎位於一個直徑約1000光年的巨大氣泡的中心, 他們稱之為本地氣泡。 根據計算, 它大約在1400萬年前開始形成。 要形成這個氣泡, 需要在幾百萬年的時間裡有大約15顆超新星爆發。 這一系列的爆炸以光壓將星際氣體向外推, 形成了一個在邊界處表面密度較大的氣泡狀結構。 現在這個氣泡還在不斷變大。 當這個氣泡剛形成時, 它以大約每小時97公里的速度膨脹。 根據歐洲航天局蓋亞太空天文臺收集的數據, 目前這個氣泡仍在以每秒4英里的速度膨脹。 在它的表面, 人們探測到了7個恆星形成區域, 也就是恆星誕生的緻密分子雲。 恆星形成的過程在本地氣泡的表面各處都在發生, 並且在星系中有許多這樣的氣泡, 因此有可能存在其他恆星, 甚至還有行星, 它們也像我們一樣處於各自的本地氣泡中。 實際上很有趣的是, 太陽最初並不在我們這個宇宙區域的中心。 當這些災難性的爆炸發生時, 太陽離爆炸現場很遠, 大約有1000光年的距離。 但正如弗吉尼亞大學的天文學家周所解釋的那樣, 大約500萬年前, 在圍繞銀河系中心運行的過程中, 太陽幾乎正好來到了這個氣泡的中心。 這與其他研究中從地殼中超新星的放射性同位素沉積得出的估計結果是一致的。 這項研究表明, 銀河系中很可能存在更多的恆星形成氣泡。 該研究的作者哈佛·史密森天體物理中心的天文學家伊麗莎·古德曼 在她的陳述中解釋道, 從統計學角度來看, 如果這些氣泡不是遍佈各處的話, 太陽就不會靠近一個巨大氣泡的中心。 我們現在所處的本地氣泡正是這樣的一個氣泡。 他說,我們認為太陽在其歷史中可能已經穿過了許多超大的氣泡。 科學家們把宇宙比作瑞士奶酪, 宇宙中的空洞是由超新星爆炸形成的, 而新的恆星則在這些由即將消亡的恆星所形成的空洞邊緣誕生。 研究團隊計劃繪製更多宇宙氣泡的分佈圖, 以便全面地從三維角度呈現它們的形狀、位置和大小。 通過描繪出這些氣泡在廣袤空間中的位置, 天文學家們能夠拼湊出這些氣泡是如何充當恆星的搖籃的, 氣泡之間是如何相互作用的, 以及像銀河系這樣的星系是如何隨著時間演變的。 隨著本地氣泡的存在, 太陽系的結構看起來是這樣的, 在其中心是太陽, 八顆行星圍繞著它公轉, 最外圍的是海王星, 它距離太陽大約44.5億公里, 也就是30個天文單位。 這意味著它與太陽的距離是地球與太陽距離的30倍。 在海王星之後是科伊伯代, 它是由一些小天體組成的集合, 其中最著名的就是冥王星, 冥王星曾長期被認為是一顆行星。 科伊伯代向外延伸到大約55個天文單位處, 再遠一些, 在距離太陽125到135個天文單位處, 有我們之前已經描述過的日球層頂。 現在讓我們來解釋一下為什麼在日球層頂的邊界處密度會開始增加。 這是因為太陽等離子體在這裡與星際等離子體發生了碰撞, 想象一下兩股氣流以宇宙速度迎頭相撞。 當然,在碰撞點處密度會增加, 這就像一場交通堵塞形成了粒子的混亂狀態。 在這場堵塞區域之後, 在距離0.75到1.5光年的地方, 奧爾特雲擴展成一個由冰至天體組成的球狀雲團。 當然,但太陽仍然用它最後的力量, 在氣引力場中束縛著天體。 當然,我們很多人可能會問這樣一個問題, 好吧,我們身處一個按照地球標準來說巨大無比的氣泡中, 甚至是在一個雙重氣泡, 本地氣泡和日球層中。 那麼,這對我們的生活有什麼影響呢? 對於那個小氣泡,即日球層, 我們可以毫不含糊地說,多虧了它, 多虧了在其邊界形成的交通堵塞地球, 纔可靠地免受了從銀河系中心襲來的高能宇宙粒子的傷害。 現在來說說本地氣泡, 科學家們早就發現我們的銀河系呈螺旋盤狀, 有幾條螺旋臂從它的中心向外延伸, 天文學家稱之為旋臂。 目前,我們的太陽幾乎位於人馬座旋臂和鷹仙座旋臂中間, 我們的太陽圍繞著銀河系中心旋轉, 每兩億年完成一次公轉。 我們把這稱為一個銀河年, 自從人類出現以來,這個銀河年僅僅過去了0.0008, 在它的運行軌道上, 太陽及其所有行星不僅穿過了氣泡, 還穿過了星際氣體的區域。 當太空中物質的密度突然增加數百倍時, 天體物理學家斯拉布·菲拉波夫告訴我們, 利用銀河系的最新模型, 研究一下當太陽穿過星際空間密度高得多的銀河系旋臂時, 地球上發生了什麼。 已經發現太陽穿過螺旋臂的時間 與五次已知的大規模滅絕事件之間存在關聯, 這些事件分別發生在4.15億年前, 3.22億年前, 3億年前, 1.45億年前, 和3千3百萬年前。 所以我們可以推測, 現在太陽處於一個寧靜的港灣, 對所有生物都很有利。 我們可以說, 人類非常幸運, 我們作為一個物種出現在地球上, 正值太陽進入本地氣泡的時候, 在那之前, 或者也許這兩個事件在某種程度上是相關的, 至少目前, 科學對此還沒有相關信息。 但我們可以肯定地說, 我們之所以能在頭頂上看到如此絢麗多彩的天空, 僅僅是因為我們實際上處於一個空曠的地方, 即本地氣泡中。 如果我們周圍的空間很稠密, 許多星星就會看不見, 而且誰知道呢, 如果我們真的處於黑暗之中, 我們是否還能像現在這樣瞭解宇宙的結構呢? 我們可以說, 本地氣泡簡直就是送給人類這個太空時代的禮物, 人類已經在努力向星星進發了。 對於以亞光速飛行的星際飛船來說, 最大的威脅是塵埃粒子, 在碰撞過程中, 這些塵埃粒子會直接把飛船磨成粉末, 即便是理論上的星艦概念也都設計了前端防護盾。 但現在看來, 宇宙似乎已經為我們考慮到了這一點, 它清除了太陽附近的塵埃, 彷彿在說, 前進吧, 夥計們, 通往半人馬座阿爾法星和牛郎星的道路是暢通的, 請持續關注最新消息, 跟上人類最偉大成就的步伐。 感謝觀看。