现在，我们的太阳系正冲入我们几乎一无所知的太空区域。大约 60,000 年来，我们的太阳一直在穿越本地星际云 (LIC)，这是一个由气体和尘埃组成的区域，位于数百万年前超新星在银河系中雕刻出的一个基本上是空的泡泡内。然而，在短短 2,000 年后，我们太阳的影响范围将转移到未知的空间。“我们不知道当这种情况发生时会发生什么，”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的庞图斯·勃兰特说。在 LIC 边界之外，可能会出现截然不同的“新常态”：地球可能会受到更多宇宙射线的照射，这些射线会改变行星气候并破坏 DNA。太阳的影响区域——它的太阳圈——大小可能会发生根本性的变化。“我们只是不知道，”勃兰特说。
找出当我们离开 LIC 舒适的范围后会发生什么，这是勃兰特和他的 APL 同事提出的一个雄心勃勃、激动人心的任务提案的目标之一。这个名为“星际探测器”的假想航天器将以前所未有的细节研究太阳的宇宙环境。该概念于 2019 年首次宣布，但几十年来一直梦想着，如今，“星际探测器”概念反映了过去几年中 1000 多名科学家为使任务的设计、仪器和科学目标正式化而付出的努力。上个月，在新奥尔良举行的美国地球物理联合会 (AGU) 秋季会议上，APL 团队公布了任务概念报告，该报告源于这些讨论——一项近 500 页的研究，旨在使“星际探测器”向现实迈进一步。而且它并非孤军奋战：中国正在努力启动一项独立的但同样令人着迷的星际任务，目前被称为“星际快车”。
“星际探测器将使我们了解我们从哪里来，以及我们将往哪里去，”作为该提案的项目科学家勃兰特说。“这是一项超越太阳圈边界的任务，太阳圈是包裹整个太阳系的巨大磁泡。”
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即将到来的美国太阳和空间物理十年调查预计将有助于指导美国宇航局和其他联邦机构在 2020 年代初期至 2030 年代之间的 10 年期间应重点关注哪些任务。APL 希望该报告将指导美国宇航局开发“星际探测器”。美国和中国之间的地缘政治冲突目前排除了两国合作的前景，但其他合作伙伴，例如欧洲航天局，未来可能会加入，使任何一个项目都成为真正的国际努力。此类讨论目前尚为时过早，但可能会在稍后出现——如果“星际探测器”和“星际快车”都被各自的机构选中，则有可能彼此互补，而不是正式合作。
跨世代的任务
APL 概念的部分设计目的是成为美国宇航局“旅行者”1 号和 2 号任务的继任者——迄今为止，这是唯一离开我们太阳系的现役航天器。“旅行者”号都为理解星际空间做出了巨大贡献：特别是，它们发现太阳圈的边缘——所谓的太阳风层顶，即我们太阳的磁性影响减弱到微不足道的程度，可以说星际空间真正开始的地方——距离太阳超过地球-太阳距离的 120 倍（超过 120 个天文单位，或 AU）。但是，“旅行者”号任务都不是专门为探索这个远离地球的区域而设计的，这限制了可提供的科学回报。“旅行者号是意外到达那里的，”APL 的拉尔夫·麦克纳特说，“星际探测器”任务提案的首席研究员。“它们只是略微触及了表面。”
“星际探测器”将是一项专门的任务，用于探索这个遥远的地方——计划在 2030 年代发射升空，研究中以 2036 年为基准发射年份。 “星际探测器”将使用强大的火箭（例如美国宇航局即将推出的太空发射系统 (SLS)）发射，重量为 860 公斤（约 1,900 磅），与“旅行者”号相似，离开地球时的速度约为每小时 60,000 公里，比历史上任何航天器都快，超过了“新视野”号航天器在前往冥王星途中创下的约每小时 43,000 公里的记录。以这样的速度，“星际探测器”将在七个月内到达木星，在 15 年内到达太阳风层顶——而“旅行者”1 号则用了 35 年——并在本世纪末超过“旅行者”号航天器。
“我非常支持，”爱荷华大学荣誉退休教授、两艘“旅行者”号宇宙飞船上等离子波仪器的前首席研究员唐·古尔内特说。“‘旅行者’1 号可能会再运行 10 年，达到 165 个天文单位。这还不够远。我们希望[更远地]进入原始的星际介质。”
总体目标是设计一项至少持续 50 年的任务，到那时达到超过 300 个天文单位的距离，然后在近 150 年内深入星际空间，达到距离地球 1,000 个天文单位的距离。这样的任务将需要前所未有的跨世代规划，今天的婴儿潮一代将领导一个将传递给 X 世代、千禧一代、Z 世代及以后世代的项目。“这就是科学进步的方式，”麦克纳特说。“你向前看；你不断地将这些东西传递给下一代，并为他们的成功做好准备。”他和他的同事们也希望他们假想的航天器能够携带人类和地球生命的概要，供任何可能偶然发现该航天器的外星文明发现，类似于“旅行者”号上包含的金唱片。然而，与那些物理唱片不同，这很可能是一种“固态存储器”，可以存储相当于“数百个亚历山大图书馆”的内容，勃兰特说。
未来的形态
该航天器的仪器将经过专门设计，以彻底改变我们对星际空间的理解。最重要的将是高能中性原子 (ENA) 成像仪，旨在拍摄从我们的太阳流出的原子撞击星际介质的照片，从而创建我们所居住的太阳圈的图像。目前尚不清楚太阳圈在盛行的银河风中呈现什么形状：一些模型从稀疏的可用数据推断，倾向于将太阳圈轮廓化为羊角面包状，而另一些模型则倾向于蝌蚪状，具有明显的鼻子和尾巴。“星际探测器”最好沿着与这个巨大结构的横向轨迹发送，以揭示其真实的形状，让所有人都能看到。
“我们目前最大的谜团是‘太阳圈的形状是什么？’”APL 的埃琳娜·普罗沃尼科娃说，她是“星际探测器”的太阳物理学负责人。 2008 年发射的一项名为“星际边界探测器” (IBEX) 的正在进行的任务表明，这种形状是细长的。但是，2004 年至 2017 年在土星轨道运行的“卡西尼”号航天器的数据表明，结构更圆润，没有长尾。“找出答案的唯一方法是飞出太阳圈并回头看看，”普罗沃尼科娃说。“‘旅行者’号无法做到这一点，因为它们没有 ENA 相机。”
另一个诱人的目标是确定我们在 LIC 中的位置。 “星际探测器”将使用四个 50 米长的无线电天线，测量周围等离子体中电子的密度。这将揭示我们与 LIC 边缘的距离，并为我们提供何时离开它的明确预测。“我们或许能够说出我们在哪里，”普罗沃尼科娃说。这可以告诉我们，我们是否将进入星际云之间的密度较低的区域，这可能会使太阳圈急剧膨胀——或者我们是否注定要进入一个名为G 云复合体的邻近云，那里的密度可能要高得多，因此我们的太阳圈将被挤压。“如果你有一个非常压缩的太阳圈，银河宇宙射线通量可能会[增加] 10 倍，谁知道呢，”勃兰特说。“这会影响大气化学[和]生物进化吗？”
包括磁力计和星际尘埃分析仪在内的其他仪器将进一步研究我们的太阳与星际介质的相互作用。康奈尔大学的天文学家沙米·查特吉说，这些信息将非常宝贵，他没有参与这项任务。“我们真的可以发送一些东西来给我们一个直接样本吗？”他说。“如果可以，那将是真正了不起的。这将是关于我们太阳邻域的绝对独特的信息。”
“星际探测器”还将有一些有趣的附加目标可以解决。这将包括在飞越木星时对木星进行研究，以及对外太阳系中的矮行星和柯伊伯带天体 (KBO)（由海王星以外的小行星和彗星组成）进行潜在的观测。 APL 的有效载荷系统工程师艾丽斯·科科罗斯说，有“许多不同的候选者”。其中之一是阋神星，它是已知的质量最大的矮行星，2005 年发现它导致冥王星在 2006 年降级为矮行星。另一个是大型矮行星共工星。甚至可能是第九行星，即假设的太阳系第九大行星，也可能会被访问——如果它被发现存在的话。“这份报告确实抓住了提供的科学‘菜单’，”麦克纳特说。
该航天器可以进行其他变革性的科学研究，例如研究河外背景光，即可观测宇宙中所有发光物体的集体宇宙光芒。麦克纳特说，从遥远的位置，“星际探测器”可以看到“真正有多少光子进入”。 “这将帮助我们限制一些大爆炸模型。”另一种可能性仍然是研究附近超新星的古老遗迹。对来自冰川和地球极地冰盖的冰芯的研究发现，大约在三百万年前，伽马射线辐射明显激增，这似乎来自大约 300 光年外爆炸的一颗恒星。通过超越太阳风层顶，“星际探测器”可以更清楚地看到和研究这种古老爆炸的遥远遗迹。“如果我们能看到尘埃成分，我们就可以判断[激增]是否来自超新星，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的杰西·米勒说，他在 AGU 秋季会议上介绍了关于这个想法的研究。“它可以告诉我们爆炸波处理过的物质发生了什么[以及]古代超新星遗迹是如何演化和消退的。”
互补竞争
与此同时，中国正在考虑的“星际快车”任务将看到两艘——甚至三艘——航天器发射到星际空间。一艘将飞向太阳圈的假想“鼻子”，另一艘将飞向“尾巴”。潜在的第三艘航天器可能会沿横向方向飞行，很像“星际探测器”计划的一般轨迹。中国航天器最初计划最早在 2024 年发射，然后可能在 2049 年（中华人民共和国成立 100 周年）到达 100 个天文单位，但新冠病毒大流行已大大减缓了开发速度，因此这个目标发射日期可能不再可行。
在此过程中，中国的每艘探测器都将独立研究木星、海王星和一些选定的柯伊伯带天体（如矮行星夸奥尔）等目标。然而，它们的共同目标是探索外太阳圈和星际空间。与“星际探测器”一样，这两艘或三艘航天器将配备 ENA 成像仪，以提供我们太阳圈的快照，以及测量局部磁场和等离子体密度等的仪器。“我们有类似的仪器，”北京大学王玲华说，他是“星际快车”ENA 成像仪团队的成员。“但仪器的具体细节可能有所不同。”
拥有这些与“星际探测器”互补的航天器将对希望研究星际空间的科学家来说是一大福音。“越多越好，”王说。“我希望我们可以有四艘或更多艘航天器。”中国支持这项任务的前景似乎很有希望，此前中国已经从月球带回了样本，登陆火星并在近地轨道上建造了载人空间站，该国渴望巩固其航天能力。参与该任务的小组位于北京大学和中国科学院，“从政府获得了概念研究的资金，”王说。“所以机会可能不低。”
这些航天器中的一艘、两艘还是全部将被选中并获得资助，还有待观察。但毫无疑问，“星际探测器”和“星际快车”可能会彻底改变我们对自身在太空中的位置的理解。从了解我们在星系中的位置和方向，到了解我们太阳最外层范围与周围宇宙之间的边界，这些任务可以激励几代科学家和公众。“太空探索不可避免地会带我们去那里，”勃兰特说。“我们这样做是为了后代。”