【腦洞】太陽系是扁平的,向上或向下飛,不就可以快速飛出太陽系了嗎?

太陽系中的八大行星以及大多數小天體,基本上都是在一個被稱為「黃道面」的平面上圍繞著太陽運行,因此我們通常都會認為,太陽系是扁平的,這就很容易令人產生一種想法:既然如此,那在發射探測器的過程中,如果向上或向下飛,不就可以快速飛出太陽系了嗎?

這看上去似乎有點道理,但仔細分析一下,我們就會發現實際情況并非如此。實際上,太陽系是指以太陽為中心,并被太陽引力約束在一起的天體系統,而在其最外層的區域,其實運行著大量的冰質小天體,它們一起組成了一個被稱為「奧特星云」的球狀結構。

也就是說,從整體上來看,太陽系的形狀并不是扁平的,只有飛出「奧特星云」才能算是真正地飛出了太陽系,而由于「奧特星云」是一個球狀結構,因此無論是向哪個方向飛,探測器的飛行距離都是一樣的。

另一方面來講,「飛出太陽系」也可以定義為:探測器飛得足夠遠,以至于太陽的引力無法對其形成有效的約束。眾所周知,在距離相等的情況下,太陽的引力在各個方向上都是一樣的,這也就意味著,就算探測器向上或向下飛,也不可能因此而具備快速飛出太陽系的能力。

可能有人會認為,太陽系的「黃道面」中存在著大量的小天體(如小行星,彗星),它們數量多、速度快,如果探測器是相對于「黃道面」是水平飛行的,就可能會因為避讓這些小天體而「繞路」,而如果探測器向上或向下飛,就可以不考慮這方面的問題,因此就可以快速飛出太陽系。

然而在過去的日子里,人類已經發射了大量的探測器,盡管其中的絕大多數都是相對于「黃道面」水平飛行的,但這些探測器都不會考慮避讓小天體。為什麼呢?答案很簡單,那就是太陽系實在是太空曠了。

在火星與木星之間,存在著一個「小行星帶」,這是太陽系中小天體最密集的區域之一,目前「小行星帶」中已知的小天體數量大約有50萬個,考慮到還沒有被發現的小天體,我們不妨將這個數量翻個倍,也就是100萬個。這看上去似乎很多,但把它們放到「小行星帶」所占的空間之中,就顯得非常少了。

「小行星帶」是一個環狀結構,其內側邊緣與太陽的距離約為2.17天文單位,外側邊緣與太陽的距離約為3.64天文單位,簡單計算一下可知,即使不考慮「小行星帶」的厚度,這片區域中小天體之間的平均距離也高達77.7萬公里,這是什麼概念呢?

這樣說吧,在地球和月球之間的空間中,其實可以將太陽系中除了地球之外的所有行星全部都放進去,而正如我們所知,地月平均距離為38萬公里,相對而言,「小行星帶」中小天體之間的平均距離大概是地月平均距離的兩倍,這還沒有算上「小行星帶」的厚度。

連太陽系中小天體最密集的區域都如此空曠,太陽系在整體上的空曠程度可想而知,以這樣的空曠程度,探測器撞上小天體的機率可以說是微乎其微,完全可以忽略不計,實際情況也確實如此,在過去發射的眾多探測器中,從來沒有出現過撞上小天體這樣的情況。

當然了,小天體可以不去考慮,但大天體肯定是要考慮的,特別是像木星、土星這樣的巨行星,不過這些大天體并不會對探測器造成阻礙,與之相反,如果計算精確地話,探測器還可以利用它們的「引力彈弓」為自己加速,進而達到快速飛出太陽系的效果。

比如說目前飛得最遠的探測器——「旅行者1號」,就曾經連續利用了木星和土星的「引力彈弓」為自己加速,而它的「姊妹探測器」——「旅行者2號」,更是連天王星和海王星都沒有錯過。

顯而易見的是,如果探測器向上或向下飛,那就無法利用大天體的「引力彈弓」,只能依靠自身的動力飛行,在這種情況下,探測器非但不能快速飛出太陽系,反而會飛得更慢,甚至還很可能會無法達到飛出太陽系所需的速度,畢竟我們人類目前的空間推進技術,并沒有想象中的那麼強大。


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