飞出太阳系，哪里才是边际

如果穆罕默德不走向大山，那么大山就会来到穆罕默德面前。

1977年，美国国家航空航天局发射了旅行者1号（Voyager I）太空探测器，用来执行一个为期4年的土星和木星探测计划。几十年过去了，它以惊人的持久力和稳定性飞行了超过125个天文单位的距离（在这个距离上，即使是光信号也需要大半天的时间才能传到地球），而且还在继续航行。旅行者1号太空飞船以及它所得到的测量成果，是以前所有航天器都未曾有过的。虽然它那基于八声道磁带的数据收集系统一路上经常出错，它的摄像头也已经不能正常工作，其设备内存的大小只是现在普通智能手机的百万分之一，但这个太空飞船却仍然可以运行，而且它是人造天体中飞离地球和太阳最远的一个。

旅行者1号虽然已经退役，却忽然又在2013年成为新闻热点，因为美国国家航空航天局宣布，旅行者1号于2012年8月25日进入了星际空间。当新闻报道说旅行者1号已经到达了太阳系的边界时，引起了科学界内外很多人的激烈讨论。Twitter上的争论尤其激烈和有趣：为旅行者1号飞出太阳系而欢欣雀跃的推文以及愤怒地斥责人们不该再这么说的推文交相出现。我花了一些时间才发现，人们并不是在反对有关旅行者1号的新闻，而是在质疑这条新闻的准确性。到底哪里才是太阳系的边界呢？

例如，我们现在已经探索到了奥尔特云，这是一个合理的太阳系边界候选者，但是旅行者1号和其他太空飞船却从未到达过如此远的地方。既然暗物质与流星雨的联系依赖于奥尔特云及其附近的区域，那就让我们先简单地讨论一下，旅行者1号飞出太阳系到底是什么意思。哪里是太阳系的边界？为什么它的边界如此难定义？

太阳系只占了整个可见宇宙的很小一部分，但它也是非常非常大的。据最可靠的测量结果来看，它包含了奥尔特云，而奥尔特云至少延伸到5万倍日地距离（即5万天文单位）的地方，也就是比1光年的距离还要远。为了更确切地认识这个距离有多远，让我们想象一下目前最先进的宇宙飞船飞到太阳系外边缘需要多长时间。宇宙飞船飞行的速度和地球绕太阳运转的速度差不多，也就是说它在一年里飞过的距离大约就是地球绕太阳一周的轨道长度。这样算的话，宇宙飞船将需要大约八九千年的时间才能飞行5万天文单位，也就是到离太阳系最近的恒星1/5的路程。但是太阳系到底有多少个天文单位大呢？

目前占主导地位的有两个定义，而它们给出了不同的答案，而且第二个定义给出的结果非常模糊。在第一个定义中，太阳系就是以太阳的引力为主导的区域，其他恒星的引力在这一区域范围可以忽略。从这个定义来看，旅行者1号现在还在太阳系里面。确实，因为奥尔特云一直被认为是太阳系的一部分，而旅行者1号现在还没有进入奥尔特云，并且根据现在的估计，它要至少再过300年才能到达奥尔特云，然后再过3万年才能穿过去。所以根据这个定义，旅行者1号已经不在太阳系里了这个说法就很难被接受。

然而，我们并不清楚太阳引力的“势力范围”，因此第一个定义其实也比较模糊。所以我们有了第二个定义：星际空间的起点就是太阳风所携带的磁场的终点——大约150亿公里远，或者说100个天文单位远。在这么远的距离上，无线电波也需要大约一天的时间才能到达我们。但是这比奥尔特云要近一些。

我们在第9章介绍过太阳风，它由太阳发出的带电粒子（也就是电子和质子）组成。这些粒子携带着磁场以每秒400公里的速度流向星际空间。星际空间的定义就是恒星之间的区域，而这些区域并不是真空的。它包含有冷的氢气体、尘埃、电离的气体，以及一些从爆炸了的恒星或者除太阳以外的恒星吹出的恒星风带来的其他物质。最终，太阳风和这些星际介质相遇。在它们相遇的区域造成一个空腔，我们叫它为日球层（heliosphere），而这两个区域的边界我们称其为日球顶层（heliopause）。因为太阳系的运动，这个边界并不是球形的，而是泪滴形的。

有些科学家认为，日球顶层就是太阳系和星际空间的边界。那么如果旅行者1号碰到的来自太阳系内的带电粒子越来越少，而来自太阳系外的带电粒子越来越多的话，就说明旅行者1号已经到了日球层的边界进入了外太空。这两种不同来源的粒子是可以区分的，因为它们具有不同的能量。高能的带电粒子起源于太阳系外的超新星所辐射出的宇宙射线。2012年8月，旅行者1号的数据表明，它碰到的这种高能粒子的数目突然增加，而同时低能量的粒子探测数目也有显著减少。既然这些低能粒子是来自太阳的，而较高能的粒子来自星际介质，那么关于这两种粒子的探测数据都表明旅行者1号已经离开了日球层。

然而，最初关于日球顶层的定义还有另外一个限制条件，那就是磁场的强度和方向也应该变得和日球层外面的一样。这个定义其实是随时间变化的，它依赖于太阳的“天气”——即在给定时刻太阳风的行为。结果是，虽然测到的带电粒子数据满足了飞出太阳系的条件，但是并不能满足更严格的磁场限制条件：旅行者1号并没有发现磁场有变化。

所以，虽然在2012年8月25日旅行者1号周围等离子体环境出现了变化，但是直到2013年3月，关于旅行者1号是否已经进入了星际空间的问题仍然饱受争议。尽管如此，美国国家航空航天局在2013年9月12日还是宣布它进入了星际空间。科学家们认为，磁场的改变其实并不是必要条件。他们决定用一个并不十分强的限制条件，也就是电子密度增强近100倍，这种情况在日球层外是应该碰得到的。

所以根据第一种以太阳引力为基础的定义，旅行者1号还处在太阳系内，而且在很长一段时间内它仍然会在太阳系里面。然而，根据第二种修正定义，旅行者1号已经进入了星际空间。关于旅行者1号是否已经离开了太阳系的问题，似乎取决于你使用哪一种定义。

还有一个有趣的补充信息：旅行者1号携带了一个镀金磁盘唱片，唱片中包含了给外星人看的有关人类社会的各种信息——如果外星人恰好能够捡到这个唱片的话。唱片中有吉米·卡特（Jimmy Carter，也就是当时的美国总统）用英语说的问候语，还有用49种其他语言说的问候语，鲸鱼的声音，以及查克·贝里（Chuck Berry）创作的经典曲目《Johnny B.Goode》（查克·贝里当时甚至还去了发射现场）。这种外星人在几百年后还可以播放我们的录音的想法还是挺让我吃惊的，因为这种事情并不太可能发生：外星人的个头会不会和我们差不多，他们有没有必要的播放设备——要知道，这种设备对在地球上的大部分人来说都是不容易找到的。而且，是不是也要考虑一下翻译的问题，或者他们能听到的音域和人类也许不一样的问题。不过提前多想一些也没什么坏处。这个唱片至少有一个好结果。它是这张唱片的创意导演安·德鲁彦（Ann Druyan）与天文学家、天体物理学家卡尔·萨根（Carl Sagan）合作的原因。即便外星人很可能并不能理解这张唱片，但它至少成就了一个美好的爱情故事^[20]。

现在，我先将外星人的故事放在一边，并将话题转到我们更加确定的那个来自外太空的撞击上，也就是流星撞击地球或者冲入大气层的事件。如果穆罕默德不走向大山，那么大山就会来到穆罕默德面前^[21]。也就是说，虽然没有人能在近期到奥尔特云中去，但那些来自奥尔特云的类太阳系小天体确实偶尔会飞向地球。