飞向太阳系

我们从轨道计算说起吧。在天文学中有一个叫作天体力学的分支学科，是专门研究天体运行轨道的。运用天体力学计算外行星轨道时发现，在20世纪70－80年代，木星、土星、天王星、海王星等4颗外行星的几何位置有利于飞船观测。只要飞船在一个特别的轨道上飞行，接近每一颗行星后增加飞行速度，使轨道弯曲，让飞船航向指向第二颗行星，就能在一次飞行中观测4颗大行星。这个方法被称为“引力援助”技术。利用这项技术，就可以用最少的推进剂和旅行时间观测4颗大行星，从而把飞往海王星的时间从30年减少到12年。利用引力援助技术，轨道设计是关键。为了利用引力援助技术研究木星、土星、木星卫星“伊奥”、土星卫星“提坦”、天王星和海王星，科学家设计了1万多个飞行轨道。“旅行者－2号”采用的正是其中的一个。

一艘飞船飞近几颗大行星需采用引力援助技术，那么飞往一颗大行星的情况又怎么样呢?根据天体力学知识，任何飞行器一旦进入轨道，就由牛顿定律编制的樊笼紧紧罩住，即只准在科学家设置好的轨道上运行。在这种轨道上飞行的飞船所受的各种力是平衡的，因此飞船处于自由运动状态。根据牛顿运动第一定律，处在自由运动状态下的运动物体不需要任何外力作用。因此，进入轨道以后的飞船如果没有外力干扰，是不“吃烟火之食”，不需要任何燃料和动力的，而且能够长期运行下去。方向和速度都不改变。如果对它施加动力，或者人为地改变飞船的航向，飞船的运动就发生变化，就不能继续在原来的轨道上飞行。同样，如果要改变飞行轨道，就要给它施加动力或改变飞船的航向。“旅行者”正是利用这条规律在浩浩太空中飞行的。

“旅行者”的飞行轨道是比较复杂的，它首先要飞向木星，其次要从飞向木星的轨道转到环绕木星的轨道，其三要从环绕木星的飞行轨道转到飞向土星、天王星、海王星的轨道，等等。“旅行者－2号”离开海王星飞向太阳系边境时，还要再一次改变轨道。在这些改变轨道的过程中，因为运动状态要发生变化，必须为飞船提供动力或改变飞船的航向。因此，飞船在行星际空间飞行时由于基本上不受外力作用因而不消耗燃料，但是在从一个轨道过渡到另一个轨道时则必须提供动力。后一项工作通常用两种方法来完成，一是借助大行星引力，如“旅行者”离开木星、土星、天王星和海王星那样，二是给火箭发动机点火，利用火箭的动力来改变轨道。

在“旅行者－2号”离开海王星之前，“旅行者”已在太阳系里跋涉了12年。在这漫长的12年中，虽然在大多数时间里不需要燃料和动力，但在改变飞船轨道时和飞船上仪器设备工作时则需要电能。“旅行者”的能源从哪里来呢?在太阳系内飞行时，因为它沐浴在阳光里，飞船上的太阳能电池帆板可以提供电能。但“旅行者”的目标是到太阳系外飞行，而且要在那里进行观测。太阳系外的阳光是极其微弱的，到了那里，飞船上的太阳能电池帆板不再能产生电能。这时，飞船上的电能是自给自足的。“旅行者”飞船上装备了3架放射性热电发生器，这些发生器的热量是由二氧化钚天然衰变产生的，能在遥远、黑暗和寒冷的环境下工作，因此在离开地球27年后的今天，“旅行者”仍然在继续工作。

太阳系边境风光

太阳系边境在哪里?这是一个难以回答的问题，因为太阳系边界其实是人们想象出来的一个概念，它与国界和区域界限是不同的，实际上天空中并不存在这样一个区域。以前，科学家把太阳引力所及的范围视为太阳系边界，把在太阳引力作用下运动的天体看作太阳系成员。冥王星是受太阳引力作用的最遥远的天体，所以认为冥王星位于太阳系的边界。

实际上，这样一个概念是非常模糊的。从理论上讲，引力可以无限延伸，太阳的引力可以延伸到银河系以外。然而，根据万有引力定律，引力和距离的平方成反比，因此在很大的距离上，引力的实际作用很小。例如，我们站在地球上，既受到地球引力的作用，也受到月球引力的作用，但在地球上，地球的引力是主要的，而到了月球上，月球的引力就起主要作用了。我们可以这样设想，每个天体都有一个引力作用范围，在这个范围内，主要受这个天体的引力控制，在引力范围之外这个天体就鞭长莫及了。太阳的引力作用范围有3种数值：在0.45万个天文单位(太阳到地球的距离叫做天文单位，1个天文单位等于15亿千米)内是“引力范围”，在2.6万个天文单位内是“作用范围”，在3.23万个天文单位内是“希尔范围”。冥王星在很扁的椭圆轨道上运行，它到太阳的最近距离是29.38个天文单位，位于海王星轨道附近；最远距离等于49.30个天文单位，离开海王星轨道有20个地球到太阳距离之遥。然而，虽然冥王星在太阳系各大行星中位于离太阳最远的一点上，但也比“引力范围”小将近100倍。所以，太阳系的边界应当比冥王星轨道远得多。

另一方面，位于太阳系外围的3颗大行星——天王星、海王星和冥王星都不是老老实实地在自己的轨道上“走路”，它们像醉汉一样，左一脚右一脚地踉踉跄跄地行走。这种情况首先在天王星上发现。根据这种“行走”方式，天文学家计算出天王星轨道外有一颗行星。后来根据计算，观测者果然找到了一颗行星，这就是海王星。海王星发现后，也存在“醉态”，因此天文学家认为海王星轨道外还有行星。经过长时间寻找，也找到了一颗行星，这就是冥王星。冥王星找到后，也存在“醉汉走路”的现象。这是不是说明冥王星轨道外还有“冥外行星”呢?这个问题吸引了许多天文学家。但是，直到现在，“冥外行星”还是镜中花、水中月，想得到，难见面。

研究太阳系边境还有两件事需要提一下。

一是发现了冥王星卫星。1978年美国海军天文台的天文学家克里斯蒂从拍摄到的天空照片上发现了一个奇怪的现象：冥王星表面像是“长了疮”——边缘上出现了凸起物。经过分析，他大胆提出这个凸起物是冥王星卫星的像。后经“哈勃空间望远镜”证实，这确实是冥王星的一颗卫星，取名“卡戎”。卡戎发现后，被用来推算冥王星的半径和质量，结果令天文学家大吃一惊，原来，冥王星的半径只有2274千米，比月亮大不了多少，连水星的一半都不到，比原先估计值小得多。冥王星不仅在大行星行列里排在最后，就是同太阳系里大卫星相比，也只能算作“老八”。这一下，冥王星的大行星地位动摇了。

二是柯伊伯带的提出。1951年，美国科学家柯伊伯提出，太阳系边缘存在一群彗星状的小天体，分布在盘状的区域里。后来人们称海王星以外30－50个天文单位的区域为柯伊伯带，带内的天体为柯伊伯天体。为了寻找柯伊伯天体，天文学家观测了几十年。但“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”。30年匆匆过去，1987年，两个年轻的科学家——杰威特和卢乌决心探个究竟。他们把望远镜指向太阳系边缘，苦苦守候了5年，到1992年才终于有了结果。他们在离太阳44个天文单位的地方找到了一颗小行星，这是在柯伊伯带内发现的第一颗小行星。此后，柯伊伯小行星纷纷涌现出来。到2002年6月，在柯伊伯带内已找到了562颗小行星。这些小行星分成两类：一类轨道近似圆形，称为柯伊伯天体；另一类轨道是较扁的椭圆形，称为海外天体。杰威特还估计，这里的小行星总质量可达到地球质量的1/10，是木星和火星。