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太阳系是扁的,为什么旅行者号不垂直飞出太阳系?

地球在一个偏心率很小的椭圆轨道上环绕太阳公转,这个轨道平面被称为黄道面。其他行星基本上也在黄道面附近环绕太阳公转。既然如此,为什么旅行者1号和2号没有向黄道面的上方或者下方飞出太阳系,这样岂不是很快飞出太阳系吗?

虽然太阳系看起来是扁平的,呈现为圆盘状,各大行星基本上共处一个平面,但太阳系其实根本就不是平的。那么,为什么各大行星基本上会共面,但太阳系又不是平的呢?

为什么行星基本上共面?

太阳系在还没有形成时,还只是一团星云,杂乱无章地弥漫在宇宙中。由于外部扰动,星云中心的物质大量聚集在一起。星云内部的物质互相碰撞,它们在某个方向上会有一个净角动量。随着物质不断被中心的引力吸引进去,星云会在拥有净角动量的方向上越转越快。

在旋转平面上,物质的旋转速度足够快,它们可以避免掉入中心。但旋转平面上下方的物质的旋转速度较慢,它们会被引力吸入中心。最终,团状的星云会变得扁平,星云中心形成了太阳,旋转平面上的物质形成了各大行星。

为什么说太阳系不是平的?

虽然行星轨道让太阳系看起来是扁平的,但太阳的引力在各个方向上都是一样的。无论在黄道面的哪个方向,只要距离相同,都会受到相同的太阳引力作用。

太阳系中除了行星和小行星带之外,还有一个包裹整个太阳系的巨大球体结构——奥尔特云。据估计,奥尔特云起始于距离太阳0.03光年(1900天文单位)之处,一直延伸到至少距离太阳1光年(6.3万天文单位)的地方。在奥尔特云中,分布着大量的小天体,它们被认为是来自于早期太阳系的残余物。

为什么旅行者号没有从黄道面上下方飞出太阳系?

如上所述,太阳的引力是均匀的,从黄道面上下方飞出太阳系没有任何优势。不仅如此,人类目前其实没有能力把探测器往黄道面上下方送出太阳系,化学火箭的速度有限。

旅行者1号和2号能够获得逃逸太阳系的速度,得益于两大因素。首先,地球以30公里/秒的速度环绕太阳旋转,旅行者1号沿着黄道面方向飞行,由此能够获得巨大的速度,而从垂直于黄道面的方向就没有。其次,旅行者号在黄道面附近飞行,还能借助木星、土星、天王星和海王星几大行星的引力进行加速,使它们最终能够获得足够的速度飞出太阳系。

另外,旅行者1号和2号在设计之初是为了一次性探测太阳系中的四大巨行星,因为它们刚好赶上了176年一遇的行星排列。如果朝着黄道面上下方飞行,无法探测这几大行星。

时至今日,人类对天王星和海王星的了解,大都是源于旅行者2号在上个世纪80年代先后造访了这两颗行星,这是目前为止对天王星和海王星的唯一一次近距离探测。

不过,经过几大行星的引力加速之后,旅行者1号和2号的飞行方向都已经大幅偏离了黄道面。