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从地球一直往上飞,为什么比去冥王星还难?

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往太阳系的正上方飞,竟然比去冥王星还难。更反常的是,想往上走,飞船可能得先向太阳坠落。我们已经把探测器送到了那么远的地方,为什么偏偏这个看起来最简单的方向,却成了难题?

先看太阳系的样子。地球、火星、木星,大多数行星都沿着近乎同一个平面绕太阳运行。这里说的“往上”,就是离开这张平面,朝太阳两极的方向飞。把太阳系想成一张巨大的圆盘,我们平时探索其他行星,基本都在盘面上赶路。现在,要跳出这张盘。



麻烦藏在你身上。此刻,你正跟着地球,以每秒将近三十公里的速度绕太阳运动。一个小时,就能前进十万多公里。你感觉不到,因为空气、海洋、楼房,都在陪你一起跑。连发射台上的火箭,也早就带着这份速度。



所以,飞船离开地球时,并不是从静止开始。它一出发,就继承了地球巨大的横向速度。去火星,这是一份礼物。地球先替你跑起来,飞船再适当加速,就能沿着一条弯曲的路线向外飞。行星之间的旅行,很像在高速公路上换车道。

可你要往上飞,相当于让高速行驶的车,突然朝侧面转九十度。光把火箭头抬起来,原来的运动不会消失。在地球绕太阳的这个距离,要把轨道直接改成经过太阳两极的轨道,所需的速度改变量超过每秒四十公里。拿常规火星转移作比较,这个代价高出十倍以上。现有的化学火箭,很难承担这样的开销。

新视野号曾飞过近五十亿公里,抵达冥王星,途中还借了木星的引力加速。可这一趟遥远的旅行,因为基本顺着行星的轨道平面走,所需的能量反而比直接去太阳两极更低。挡住我们的,除了距离,还有地球从太阳系诞生时就继承下来的运动。



这也让我们留下了一个奇怪的盲区。火星上的岩石、土星环的细节,我们都看过;可每天抬头就能看见的太阳,它的两极,却长期难以看清。偏偏那里很重要。极区的日冕洞向外释放高速太阳风,极区磁场的强弱,也关系着下一轮太阳活动会有多猛烈。



太阳的磁场大约每十一年翻转一次。影响卫星、导航和宇航员的空间天气,与这些变化紧紧相连。但我们长期从接近太阳赤道的角度观察,像一直站在地球赤道,却想弄懂南北两极的天气。看得到太阳,不等于看清了太阳。

科学家没有硬闯。1990年发射的尤利西斯探测器,先向外飞到木星附近。1992年,木星的引力把它的路线大幅扭转,让它跳出行星轨道平面,再返回太阳附近,反复经过太阳两极。它在那里测量太阳风,却没有能够拍摄太阳的相机。我们终于到过那个方向,但还没真正看见那里的模样。



后来,太阳轨道器走了另一条路:一次次借助金星,把轨道逐渐抬高。到了2025年,倾角达到约十七度,人类终于获得了太阳南极的近距离观测图像。那里显露出的磁场,并没有整齐地指向一个方向,而是不同磁性混杂在一起。当时太阳正处于活动剧烈、磁场翻转的阶段。换个角度,熟悉的太阳竟然露出了陌生的一面。



而往上走的意义,还不止看太阳。太阳风不断向外吹,与星际空间里的稀薄气体相互作用,形成了一个包围太阳和行星的巨大区域,叫日球层。它能挡开相当一部分高能宇宙射线。地球一直生活在这层保护里,可我们对它整个外形的认识,仍然存在分歧。

过去,人们常把它画成彗星:前面圆,后面拖着长尾巴。后来,新的模拟给出了另一种模样,像一个瘪下去的牛角面包,两侧伸出弯曲的部分。哪种更接近真实?还不能确定。旅行者一号和二号穿过边界,给了我们两个地点的直接测量。可这片区域横跨数百亿公里,两个点,远远不够描出完整轮廓。



从内部测量边界,能帮助我们补齐信息;如果有探测器能升到足够高的位置,再回头观察,我们就可能从另一个方向认识这个保护着地球的巨大区域。问题又绕回来了:怎样摆脱横向速度,真正往上走?

有一个办法,是先绕远路。离太阳越远,轨道上的运动通常越慢,改变方向的代价也越低。尤利西斯先去木星,就是借这个机会,让木星的引力帮它转弯。还有一种更激进的设想:把太阳附近,变成新的出发点。

先借助引力改变轨道,让飞船失去大部分原有的横向运动。它就会朝太阳方向落下,越落越快。靠近太阳时,速度可以超过每秒一百公里。就在最接近太阳、飞得最快的时刻,点燃发动机。同样的一次加速,这时能换来更大的轨道能量增量,这就是奥伯特效应。



如果路线事先安排合适,飞船加速离开太阳后,就能沿着大倾角轨道飞出去,甚至朝星际空间进发。想向上,先下落;想下落,又可能先得向外绕。听起来像绕圈子,却是在利用太阳和行星的引力,减少飞船自己必须承担的代价。当然,这种路线仍是研究设想,绝不是把飞船随便朝太阳一扔。

另一种办法,温和得多:太阳帆。展开薄薄的巨大帆面,用阳光的压力推动飞船。每绕一圈,就调整一点姿态,把轨道一点点抬起来。省下推进所需的燃料,付出的却是时间,往往需要很多年。往上飞,没有一条轻松的捷径。



假如有一天,我们真的飞到了那里,最先变的,可能是天空。行星轨道附近散布着彗星和小行星留下的尘埃。地球上看到的黄道光,就是阳光照亮这些尘埃形成的微弱光辉。升到盘面上方,就能避开大部分尘埃的干扰,得到更暗、更干净的观测背景,寻找遥远行星和暗淡星系也会更有利。



环境也会变。在太阳赤道附近,太阳风速度大约每秒四百公里,变化比较剧烈。到了极区的日冕洞上方,它可能达到每秒七百到八百公里,更快,却更稳定、也更稀薄。飞船要面对不同的粒子环境,电子设备也要经受新的考验。这条路线会带来更好的视角,也会带来新的挑战。

再回头,行星的轨道、盘面上的尘埃带,会从一个新角度展开。1990年,旅行者一号曾拍下太阳系的“全家福”,但它当时只在轨道平面上方约三十度,行星几乎都是小小的光点。真正从太阳正上方俯看家园的照片,我们还没有。

我们拍过遥远的星系,也看过黑洞周围被扭曲的光,却还缺少自己家园的一张俯视照。也许下一次改变人类视角的旅行,就在这个最熟悉、又最难抵达的方向:向上。

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