航天器为什么不垂直于太阳系平面飞出太阳系?这样不是更近吗?

在宇宙中我们看到的大多数物质结构组成的系统都是扁平状的,例如:行星系和恒星系,当然行星系可以组成巨大的星团,不过宇宙中的这些星团只可以在有限的时间内保持球形稳定状态,在未来所有星团中的大多数恒星都会在引力的作用下被弹射出去,发生逃逸,我们的太阳系在很久以前也是从一个星团中逃逸出来的。

还有扁平状的恒星系(星系)也可以在更大的空间尺度上在引力的作用下组成星系群和星系团,当然这些结构也是不稳定的,例如:我们的本星系群,在未来40亿年后将会发生合并,组成一个更大的椭圆星系。因此,宇宙中最稳定的基础物质结构当属盘状系统,而我们的太阳系的物质分布就是这样的。

如果以行星分布来看,太阳系分为内太阳系、外太阳系和外海王星区域,在内太阳系中包括地球在内有四个岩石星球,它们由较重的元素组成,天体密度也较大。在内太阳系和外太阳系中间,也就是火星和木星中间还存在一片广阔的空间区域,那里分布到大约50万颗小行星,称为小行星带。

在小行星带以外的外太阳系有四颗气态星球,它们由大量的气体组成,密度也相对较低,但是体积更大。在海王星之外是更加广阔的太阳系空间,我们在这里发现了很多类似于冥王星的矮行星,还有充满无数小行星的柯伊伯带,不过由于距离太阳比较远,我们无法通过望远镜观测获得这个区域更多的信息。

我们以冥王星为界,那么太阳系只有地球到太阳距离的50倍,也就是50个AU,0.08%光年!如果以柯伊伯带界,那么太阳系的范围将达到500个AU。这说明我们常认为的以行星天体组成的太阳系其实只占了太阳系非常小的区域。不过以上说的这些天体,不管是行星、矮行星还是小行星基本上都处在同一轨道平面上运行,也就是太阳的黄道面,它们之间的夹角非常小,因此以这些物质分布的情况来看我们的太阳系就是一个扁平状的圆盘。

如果我们人类只是想简单地飞出太阳系,是不是可以选择往圆盘的上方或者下方飞?就能很轻松的进入星际空间?如果只是以以上的行星分布的观点来看确实没错,但是我们的太阳系可没这个简单,因为在我们尚不了解的柯伊伯带之外,还存在着早期太阳系形成时遗留下的物质,这些物质的总量大约有5-100个地球质量,但它们都是体型十分小冰冻天体,围绕太阳在各个方向上形成了极为椭圆或抛物线状的轨道,因此奥尔特云表现出了球形结构。

我们能发现奥尔特云的原因是,球状结构十分不稳定,每隔一段时间就有小行星在引力的摄动下被抛射到太阳系内部,并且轨道周期长达10万年之久,因此我们推断在柯伊伯带以外还有非常遥远的物质云。上图可以看到在奥尔特云面前,我们传统上认为的太阳系大小只能望其项背,奥尔特云距离太阳约50000~100000个天文单位,半径差不多为1光年。

如果以奥尔特云为界的话,我们人类想要简单的飞出太阳系的话,不论朝哪个方向都是一样的,不存在垂直于行星盘就能直接离开太阳系的说法。其实这并不是主要的原因。我们不垂直往上飞的原因还有两个特别重要的因素:

太阳系的主要引力源。

上文说了我们太阳系中大量的天体、物质结构以及分布,但是这些物质总量其实在太阳面前都是毛毛雨。太阳系虽然广阔,物质丰富,但绝大部分的质量都集中在了太阳身上,毫不夸张地说,太阳自身就占了太阳系总质量的99.86%,木星占了0.1%,剩下0.04%就是其他物质。看到了太阳系中这样的质量分布情况,相信你已经很清楚为何我们不选择往上飞,因为不管往哪飞,最主要的就是克服太阳的引力。

而且如果我们选择在行星盘内飞行,虽说太阳的引力巨大,但是当我们靠近其他天体时,由于距离更近,这些天体就能为飞行器提供对抗太阳引力的力,也就是我们常说的引力弹弓效应,通过其他天体的引力对飞行器进行加速,可以节约很多能源,让飞行器更快的达到太阳系边缘。

我们发射探测器的目的是什么?

人类目前虽然可以进行深空探索,但以我们现在的能力只能说鞭长莫及,只能在太阳系内瞎转悠,人类从航天事业发展以来,更多的科学目的是去探测太阳系内遥远的行星及其卫星,并不是只想简单粗暴地把探测器送出太阳系,这样做完全没有意义。

记住,我们的目的是为了探测太阳系内的行星,所以我们必须让探测器沿着行星盘往外飞。

总结一下

让航天器往行星盘上方飞并不能飞出太阳系,只能飞船行星盘,而且这个过程也相当“费油”,最主要的是,我们人类发射探测器是为了科学考察,而不是粗暴地往星际空间扔“垃圾”。