找寻太阳系的边缘
所谓太阳系的边缘，在很大程度上其实是取决于定义的。可以将边缘定义为太阳引力的势力范围，在此之外其他恒星的引力足以与太阳抗衡；也可以将边缘定义为太阳风势力所及。从实际操作的角度来看，后一种定义更明确一些：毕竟引力是长程力，而太阳附近的恒星分布至今也不好说已经调查完全；但根据理论，太阳风的传播距离却是有限的，所以先从后者说起。不过就算范围有限，这个边界也并不简单。
太阳风的覆盖范围被定义成日球层。太阳风的组成是源自太阳的带电粒子，其中还夹带着磁场。在向星际空间传播的过程中，太阳风将介质吹出了一个空穴，所有行星都包裹在其中。由于太阳风压强的随着与太阳距离的增加以平方指数形式衰减，而星际介质却可以提供一个相对恒定的压强，显而易见的是，星际介质的压强最终会胜出，这就为太阳系划定了边界。当然，实际的太阳风层结构并不是单纯的空穴本身，而是分为不同的层次。
按照距离太阳从近到远区分，太阳风层的外边界分为终止激波（Termination Shock）、太阳风顶（Heliopause）以及弓形激波（Bow Shock）3层。其中终止激波是个过渡层，太阳风在这里从太阳系之内的超音速（约每秒400千米）转化为星际空间的亚音速（不到每秒100千米）；太阳风顶是星际介质的压强彻底胜出的地方，在终止激波与太阳风顶的中间地带又称作太阳风鞘（Heliosheath）；而更靠外的弓激波则是太阳环绕银河系中心运动带来的星际介质湍动所致。把太阳风层看成太阳系边缘的合理之处是，太阳风层为太阳系内的天体提供了一个相对独立的环境，也构筑了太阳系屏蔽外界干扰的第一道屏障。
太阳系边界的结构示意图，距离以对数坐标表示。（图片提供：PD-USGOV-NASA）
那么在太阳风的边缘地带会发生什么？先看终止激波。速度跳变导致组成太阳风的物质被压缩、加热，同时磁场也会发生改变。在太阳风鞘中，被减速加热的太阳风进一步与星际介质相互作用，最终在太阳风顶停止。太阳风顶之外，就是星际介质乃至其他恒星的星风唱主角的舞台了。而在弓激波与太阳风顶之间，被挤压的星际介质形成了致密温热的氢墙。关于太阳风顶成因，还有另一种说法是磁场作用。这里可以被解释成太阳的磁层顶，将银河系的等离子体流与太阳系磁层区隔开来。
至于距离，从上图可见，终止激波、太阳风顶和弓激波都位于距离太阳100天文单位不到的地方，这里属于柯伊伯带的中段。不过值得注意的是，太阳风层并非以太阳为中心的对称结构：终止激波近似各向同性，但依方位不同，与太阳的距离有小起伏，大致在75至90天文单位之间；太阳风鞘在传统理论上的轮廓更是呈彗状，与太阳的最近点在80到100天文单位之间。由于太阳风顶的尾迹与太阳在银河系中的运动方向相反，太阳风鞘不对称的成因应该与太阳运动以及星际风的作用有关。
以上一切基本都是理论推测的结果。如果说到考察太阳系外边缘，就不能不提两架旅行者号探测器以及星际边界探测器，其中前者都已经穿过了终止激波，并朝向太阳风顶迈进，属于实地采样；后者则是在近地空间巡视全天，互为补充。实地采样终止激波的重要标准是太阳风速度的降低。从2003年2月起，旅行者1号的仪器读数就出现遭遇终止激波的迹象了，不过现在一般认为正式的穿越时间是在2004年12月，对应距离94天文单位。但由于旅行者1号携带的太阳风探测器在1990年即已停止工作，所以这一事件基本是根据其他设备的结果推测出来的。更加不巧的是，负责与旅行者号联络的地面天线同时还担负着与其他航天器通信的工作，通信时间只能优先拨给更新且需求更紧迫的任务。相比之下，旅行者2号要幸运得多。它穿越终止激波是在2007年8月（也有说是2006年6月等等），距离比1号近些，是84天文单位，当时不仅对激波面进行了直接测量，通信时间也没有成为制约因素。
旅行者1号与2号探测器穿越终止激波的位置与太阳风层结构的理论图。（图片提供：NASA and JHU/APL）
不过这个穿越激波的时间为什么有多种说法呢？一条重要原因是，太阳风层的大小并非一成不变，而是由于太阳活动起起伏伏的，比如日冕物质抛射就可以让终止激波外推。事实上旅行者2号已经在激波面上穿行5次了。
与预期不同，太阳风速度在终止激波处的变化并不是突降，而是缓慢减小的。激波面处有速度跳变不假，跳变幅度却并不大。这可能与太阳风鞘中的中性原子与太阳风相互作用交换能量有关，不过具体原因仍有待进一步探讨。旅行者号的另一大发现就是前面提到的激波分布南北各向异性，在旅行者2号穿越的南侧靠太阳更近些，这可能与星系际磁场与太阳磁场的相互作用有关。此外还有研究小组根据旅行者1号的数据推测，太阳风鞘中的磁场结构并不均匀，而是存在弱场的斑块，这可以归结为太阳风减速带来的磁场变化。
旅行者号穿越太阳风鞘还要等上10几年，不过由于太阳风顶的具体距离至今只存在于理论演算之中，人们并不知道确切的穿越时间。但是旅行者号能否坚持到那个时候是另一个很现实的问题：星载放射性同位素能源最多可以供能到2025年前后，而按照任务计划，探测器上各子系统近些年就要陆续关闭了。想想旅行者1号还因为太阳风探测器宕机而不能完全确认穿越终止激波的事实，更多子系统也关闭的话，恐怕就更不可能采集太多的数据了。无论如何，它们的使命已经完成得足够好，接下来该轮到新一代的登场了。
新一代首当其冲的就是坐地巡天的星际边界探测器（IBEX），这个2008年发射的小家伙近来风头很足，得出了比较轰动的结果：发现了太阳系边缘的高能中性原子带（其中以氢原子为主），带中粒子流量是其他天区的数倍，这远比预期的起伏高。IBEX在地球轨道上接收来自太阳系边缘的高能原子，由于接收对象不带电，所以可以不计行星际磁场的偏折问题。为了获得可靠的结果，IBEX选择了高偏心率的轨道，远地点可以达到日地之间四分之三处，以充分避免范艾伦辐射带的影响。
太阳系边缘的高能中性原子带与银河系磁场的关系，左下为IBEX的外观。（图片提供：Southwest Research Institute）
高能中性原子带是个大尺度结构，对应的位置在终止激波以外，还正好从两架旅行者号探测器的所在位置之间穿过，因此先前没有发现它的存在。初步的分析认为，条带是太阳风粒子被星际磁场反射并在氢原子和质子之间发生电荷交换的产物。这样看来，中性原子带可以暗示银河系磁场的指向和强度，这与条带垂直于太阳附近星际磁场方向的事实相符合。不过现在这只是个初步猜测，并未得到所有人的认同。至于最终的解释，还需要更多数据的支持。当然，如果能监测到条带随时间的演化，将给研究者带来更多的线索。
除了名声很响的旅行者号探测器以及IBEX，本来以研究土星为己任的卡西尼号探测器也在了解太阳系边缘的工作中搀和了一下。在卡西尼号的离子和中性粒子照相机（Ion and Neutral Camera，INCA）眼中，太阳风鞘并非传统上认为的彗状，而是近似呈球形。塑造太阳风鞘的主导力量也不是太阳系与星际介质的相互作用，而是磁场和压力。这样看来，充作太阳系边缘的结构远比先前的设想更为扑朔迷离，现有的理论尚不足以准确描述太阳风层的外观。顺带提一下，在卡西尼号INCA的积累数据中也有高能原子条带的存在，而且对应能量更高，这证实了IBEX的观测。
卡西尼号探测到的太阳风层结构，可见太阳风鞘呈近似球形。（图片提供：JHU Applied Physics Laboratory）
最外层的弓激波又是怎么一回事？从理论上看，它是由于星际介质相对太阳作超音速运动而形成的，距离太阳更远，大约有200多天文单位。在介质遭遇太阳风顶时，会产生弓状湍流区。不过人们当下对这个结构的了解与其说是了解，倒不如说是猜测。人们确实在其他恒星周围发现过弓激波，比如天琴座R、猎户座LL还有蒭藁增二。但是放到太阳系上，这个结构的真实面貌还有待进一步的研究。
猎户座LL周围的弓激波。（图片提供：NASA/The Hubble Heritage Team）
至于太阳的引力范围？按照理论，它还要更远一些，一直延伸到奥尔特云的外边界。不过至今奥尔特云还只是存在于理论中的假想结构，对其实际的观测几乎为零，所以讨论引力所及具体在哪里现在多少是有些不靠谱的事情。与弓激波类似，奥尔特云的外边界也只是估测数值，大约在1到2万天文单位之间。这一位置叫做潮汐截断半径，之外就是银河系背景以及邻近恒星的引力发挥作用的疆域了。
参考资料
[1] What defines the boundary of the Solar System?
[2] Voyager 2 probe reaches solar system boundary
[3] Voyager 1 Sailing Past 100 AU en route to Interstellar Space
[4] New View Of The Heliosphere: Cassini Helps Redraw Shape Of Solar System
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Heliosphere
