郭勝偉

地球在一個偏心率很小的橢圓軌道上環繞太陽公轉，這個軌道平面被稱為黃道面。其他行星基本上也在黃道面附近環繞太陽公轉。既然如此，為什麼旅行者1號和2號沒有向黃道面的上方或者下方飛出太陽系，這樣豈不是很快飛出太陽系嗎？

雖然太陽系看起來是扁平的，呈現為圓盤狀，各大行星基本上共處一個平面，但太陽系其實根本就不是平的。那麼，為什麼各大行星基本上會共面，但太陽系又不是平的呢？

為什麼行星基本上共面？

太陽系在還沒有形成時，還只是一團星雲，雜亂無章地瀰漫在宇宙中。由於外部擾動，星雲中心的物質大量聚集在一起。星雲內部的物質互相碰撞，它們在某個方向上會有一個淨角動量。隨著物質不斷被中心的引力吸引進去，星雲會在擁有淨角動量的方向上越轉越快。

在旋轉平面上，物質的旋轉速度足夠快，它們可以避免掉入中心。但旋轉平面上下方的物質的旋轉速度較慢，它們會被引力吸入中心。最終，團狀的星雲會變得扁平，星雲中心形成了太陽，旋轉平面上的物質形成了各大行星。

為什麼說太陽系不是平的？

雖然行星軌道讓太陽系看起來是扁平的，但太陽的引力在各個方向上都是一樣的。無論在黃道面的哪個方向，只要距離相同，都會受到相同的太陽引力作用。

太陽系中除了行星和小行星帶之外，還有一個包裹整個太陽系的巨大球體結構——奧爾特雲。據估計，奧爾特雲起始於距離太陽0.03光年（1900天文單位）之處，一直延伸到至少距離太陽1光年（6.3萬天文單位）的地方。在奧爾特雲中，分佈著大量的小天體，它們被認為是來自於早期太陽系的殘餘物。

為什麼旅行者號沒有從黃道面上下方飛出太陽系？

如上所述，太陽的引力是均勻的，從黃道面上下方飛出太陽系沒有任何優勢。不僅如此，人類目前其實沒有能力把探測器往黃道面上下方送出太陽系，化學火箭的速度有限。

旅行者1號和2號能夠獲得逃逸太陽系的速度，得益於兩大因素。首先，地球以30公里/秒的速度環繞太陽旋轉，旅行者1號沿著黃道面方向飛行，由此能夠獲得巨大的速度，而從垂直於黃道面的方向就沒有。其次，旅行者號在黃道面附近飛行，還能借助木星、土星、天王星和海王星幾大行星的引力進行加速，使它們最終能夠獲得足夠的速度飛出太陽系。

另外，旅行者1號和2號在設計之初是為了一次性探測太陽系中的四大巨行星，因為它們剛好趕上了176年一遇的行星排列。如果朝著黃道面上下方飛行，無法探測這幾大行星。

時至今日，人類對天王星和海王星的瞭解，大都是源於旅行者2號在上個世紀80年代先後造訪了這兩顆行星，這是目前為止對天王星和海王星的唯一一次近距離探測。

不過，經過幾大行星的引力加速之後，旅行者1號和2號的飛行方向都已經大幅偏離了黃道面。

火星一號

太陽系是扁平的，旅行者向上向下飛，不就是很快飛出太陽系嗎？

太陽系是扁平的，旅行者向上飛不是很快就能飛出太陽系麼？說的好有道理，竟然無言以對。當然這對於腦筋急轉彎的回答，肯定是令人滿意的，但就科學角度來看，似乎有幾個問題得搞搞清楚！

太陽系真的是扁平的嗎？

美國有一個認為大地是扁平的小團體，其中並不缺乏名人，這個理論在古希臘時代就測出了地球直徑的埃拉托色尼看來，實在是一群不可救藥的無知群眾，對於他們，我們只能抱以同情而又不失禮貌的微笑！

地球是一個球體，太陽也是一個球體，那麼八大行星以及小行星帶和柯伊伯帶組成的太陽系是什麼形狀？還真是扁平的，因為無論是康德和拉普拉斯的星雲說形成的太陽系，還是現實中這些天體的分佈，無一不是扁平的。

從這一個角度來理解，太陽系是扁平的這個觀點並沒有任何問題！甚至整個歸納還應該是優秀的！

太陽系的引力分佈也是扁平化的嗎？

從1687年牛頓在1687年發表《自然哲學的數學原理》一文中闡述了三大定律和萬有引力，解釋引力這一現象，並且通過公式給了萬有引力的計算方法。

兩個天體之間的引力大小，與它們的質量積成正比，和它們之間距離的平方成反比，儘管牛頓對傳遞引力的介質錯誤的定義為以太，但他從來引力的方向卻沒有定義過，因為引力並不是朝向一個方向的，或者你可以理解為是指向質心的！

當然愛因斯坦的引力場方程描述了引力的本質：質量對時空的扭曲，在我們看來這就是引力，當然愛因斯坦也沒有定義引力的方向，因為引力並不會朝一個方向傳播，而是在質心周圍都是均勻存在的，如果這個質量體分佈的密度也是均勻的話。

既然太陽周圍的引力都是均勻分佈的，為什麼我們要從黃道面逃逸？

這確實是一個尖銳的問題，既然往哪裡飛不是飛，非得從黃道面飛，其實天文學家也這麼想，但他們是有苦衷的，要解釋這問題，我們必須來理解一張圖：

這是旅行者的西天取經之路，和唐僧不一樣的是旅行者沒打算回來，因為它取得的數據已經發回來了，這就是現代通訊的優勢！

從這個動圖來看即使旅行者一號，也是經過火星、木星和土星，而二號則經過太陽系中所有的行星，甚至去冥王星瞥了一眼，當然這很容易解釋：

• 順便探測太陽系每一顆行星

這是最冠冕堂皇的理由，畢竟黃道面垂直方向並沒有大的天體，甚至小行星都遇不到，往哪裡走沒有科學價值，所以旅行者計劃探測每一顆行星不僅是科學家，也是NASA預算落到實處的一個表現，否則就單獨發射一個探測器，而且這個探測器壽命期之內遇不到任何天體，那麼它有意義嗎？

• 更深層次的含義是，火箭提供的速度不夠，無法從黃道面垂直方向逃逸

我們從太陽的逃逸速度計算可得，地球軌道附近約需要42.2千米/秒的速度才能從太陽系逃逸，那麼人類1969年登陸月球的土星五號竭盡全力能提供的速度是多少呢？11.2千米/秒，脫離地球到達月球至少需要地球的逃逸速度，剩下大約有31千米的速度我們是不是該造一個更大的火箭來加速？這得分兩種情況：

• 從黃道面垂直方向
• 從黃道面水平方向

前者就只能造個更大的火箭了，直接將飛船加速到42.2千米/秒，將直接從太陽系逃逸。

後者卻不需要，只要從地球公轉軌道的前進方向逃逸，那麼自然可以加上地球公轉軌道的速度大約29.8千米/秒，是不是和太陽逃逸速度一步之遙了？

當然這個理解一點錯都沒有，但這次逃逸需要同時逃離地球和太陽，因此整體所需的速度為：

V=√11.2^2+(42.2-29.8)^2=16.7093千米/秒

也就是說朝著地球軌道上再加速16.7093千米/秒，即可從太陽系逃逸！比起要加速31千米/秒容易太多了！

但事實上是速度仍然不太夠，因此天才的科學家想出了利用行星的引力來給探測器加速的方法，這個原理也很簡單，從天體側後方切入，讓高速公轉天體的引力帶著探測器跑一會，從理論上來看這個加速加成大約有公轉速度的2倍。

旅行者2號通過天體引力彈弓加速的國恆，其特性是每次經過天體附近時速度都一個很大的提升，當然除了加速還可以減速，也可以改變軌道，因此在開頭旅行者前往太陽系外軌道時，旅行者1號在土星附近拐了個大彎，從太陽系黃道面的偏北方向離開了，這就是利用了土星的引力免費拐了一次彎。

無論從黃道面上走，還是從垂直方向走，其實距離都差不多

現代太陽系範圍區分已經很少以柯伊伯帶為界限了，因為太近；以奧爾特云為界限比較科學，但又太遠，大都時候都已日球層為標準，而日球層在太陽系前進方向上距離是最短的，因此朝著太陽系環繞銀河系方向走，最快能脫離太陽系。

因此從哪個方向走都不是關鍵，唯一的要求是速度，這才是人類跨出太陽系最好的依託。

星辰大海路上的種花家

其實，我們要搞清楚一個關鍵問題，那就是離開太陽系，到底是要擺脫什麼？難道只是飛出一個邊界就可以麼？其實要離開太陽系的關鍵是速度，而不是飛的方向。

為什麼這麼說呢？

萬有引力

飛離太陽系和一般的走出一個區域的最大區別是：萬有引力。我們平時開車從從一個地區到另外一個地區，說白了是摩擦力和空氣阻力對抗。而太空當中，是不存在這兩種力的，但是存在引力。而飛離太陽系的本質是擺脫太陽的萬有引力。我們高中就學過，牛頓的萬有引力定律：

這個定律告訴我們，物質之間的引力與它們的距離平方呈反比，與它們的質量呈正比。實際上，萬有引力和方向是沒有什麼太大關係的，它就像是在三維空間中的展開。所以，你朝著上面飛，也要受到引力的束縛，沿著某個平面飛也要受到引力的作用。

後來，愛因斯坦的廣義相對論描述了萬有引力的本質，它認為萬有引力的本質是時空的彎曲。

但是這並不影響最終的結果，這是因為從地球出發，所受到的重力場是一種弱場，廣義相對論在弱場下是和牛頓力學等效的。所以，要飛離太陽實際上是要擺脫太陽的引力。而這需要能量，我們也可以等效看成飛船的動能，所以這也就對應著相應的最低速度。那要飛離太陽系需要多大的速度呢？

宇宙速度

但我們也都知道，其實太陽系各個行星距離太陽的距離都不同的，而且差異非常大。這也就直接導致了從太陽系不同的位置出發，所需要的速度是不同的，尤其是越接近於太陽，要擺脫太陽的引力就越難。

我們高中也學過，擺脫太陽，飛出太陽系的最低速度被稱為一個星球的第三宇宙速度。地球的第三宇宙速度，也就是從地球出發要擺脫太陽的引力的最低速度是16.7m/s，也被我們稱為

如果我們距離太陽最近的水星出發，根據計算，水星的第三宇宙速度是67.7km/s，也就是說，從水星出發要遠比從地球出發，需要擺脫太陽引力的速度要大的多得多。

而如果從距離太陽最遠的行星海王星出發，要擺脫太陽引力的最低速度是7.7km/s，只有從地球出發擺脫太陽引力所需的最低速度的一半不到，所以，難度要降低不少。

可能你要問了，如果是這樣，那幹嘛不直接朝著垂著於黃道面飛，非要掠過這麼些個行星？

旅行者的軌跡的設定

其實，這裡是有關鍵因素的，也就是：引力彈弓效應。

很多探測器要飛離太陽系，並不是一口氣達到第三宇宙速度，也不是恰好等於第三宇宙速度，而是要高出第三宇宙速度不少。但是，我們直接讓探測器達到這個速度就非常難。

所以，科學家一般都利用引力彈弓效應來給探測器加速。

那什麼是引力彈弓呢？

我們可以粗暴地這麼理解，就是利用天體自身的引力場，來給探測器加速，也就是讓天體的引力給探測器做功，拉探測器一把。（當然，一定要調整好軌跡，這樣才能起到正面效果，其實引力彈弓也是可以給探測器減速的。下圖中，圖一就是加速的情況，而圖二就是減速的情況。）

而地球軌道之外，有很多大天體，尤其是金星和土星，都是加速的利器。實際上，旅行者一號也就是通過了幾次大行星的加速，在經過木星時有一次重要的加速，這次加速讓旅行者號的速度提高到了25km/s，在加速之前，它的速度僅僅只有13km/s。也就是說，如果沒有這次加速，旅行者號是不太可能飛離太陽系的。

由於需要通過木星的“引力彈弓效應”來加速，因此，如果垂直於黃道面向上飛出去，就只能完全依靠自身的速度來實現了，這非但沒有變簡單，反倒是加大了飛離太陽系的難度。

因此，由於需要掠過木星，用引力彈弓來加速，所以，科學家才會為旅行者號設計這樣的路徑。

鍾銘聊科學

最外層的球形區域――奧爾特雲

太陽系主要天體之所以大都處於黃道平面，這與太陽系的起源有關。

日後形成咱們太陽系的那塊星雲團直徑大小有7000――20000多個天文單位（1天文單位即日地平均距離，大約是1.49億公里），星雲坍縮時，因角動量守恆使它的轉速加快，內部原子碰撞頻率加大，原始區域中央集中了大部分的質量，溫度也比周圍高。當引力、氣體壓力、磁場和自轉共同作用在收縮的星雲時，它開始變得扁平成為旋轉的“原行星盤”，直徑大約200個天文單位，並且中心有一個稠密的原始恆星。最終中心形成了太陽，周圍逐漸形成了行星，它們的公轉方向完全和太陽的自轉方向一致，這個“原行星盤”的盤面就是日後的黃道面。

從以上敘述可看出，太陽系各大行星及主要天體大都處於黃道面，使太陽系物質分佈呈扁平形狀。但也有個別天體處於黃道面之外，比如被人們稱為“齊娜”的“鬩神星”，它是柯伊伯帶最大的黃道離散天體，

它與太陽系主平面保持著45度夾角，它和太陽的平均距離68個天文單位，合140億公里。它的直徑2326公里，稍小於2371公里的冥王星，也屬於矮行星。

美國上世紀七十年代發射的“旅行者一號和二號”探測器的確是沿著太陽的黃道面飛行的，並沒有垂直於黃道面向上下飛行，這裡面有兩個原因。

1，旅行者探測器的最初任務要求決定了它們起初的飛行方向和路線必須沿著黃道面。當然任務結束後，它們確定了各自的飛行方向。

“旅行者一號”和“旅行者二號”分別於1977年9月5日和8月21日發射，它們的最初任務是：旅行者一號探測木星和土星及其衛星，旅行者二號探測木星、土星、天王星和海王星。由於這些大行星都在黃道平面，因此旅行者號探測器飛行方向必須沿著黃道面。旅行者一號1979年探訪木星，1980年探訪土星；旅行者二號於1986年經過天王星，1989年經過海王星。

兩個探測器的最初探測任務結束後，美國宇航局決定進行星際探索任務，旅行者一號於1989年受到了土衛六額外的引力影響，開始離開黃道面向銀河系中心方向前進，並於2013年9月13日進入恆星際空間，到2019年9月距地210多億公里，目前位於太陽系的“上方”。

其中藍色軌跡為旅行者一號，紫色軌跡為旅行者二號

旅行者二號則在探訪完海王星後繼續沿著黃道面飛行，2018年12月10日，美宇航局宣佈旅行者二號已飛離太陽風層，也進入星際空間。可見兩個探測器沿著不同方向都能飛離太陽風層，進入星際空間。

2，旅行者號探測器沿著黃道面飛行可以藉助各大行星的引力加速作用，即引力彈弓效應，節省大量時間和燃料。

旅行者一號和二號都受到土衛六的引力彈弓效應，一個得以離開黃道面直奔太陽系外，一個得以加速飛向天王星，節省了自身攜帶的有限推進劑，延長了壽命。撇開任務，如果沿著黃道面垂直方向（即向上向下）飛行，將沒有任何助力，但受到太陽的引力是一樣的，飛行器想脫離太陽系會更難。

綜上

太陽系雖然是扁平的，但“旅行者”號探測器向上向下飛，與沿著黃道面飛是一樣的，甚至更難。

物原愛牛毛1

太陽系是扁平的，坐飛船向“上”或向“下”飛是可以用較短的時間飛離太陽系的，但飛船必需要具有第三宇宙速度即16.7公里/秒的速度才可以掙脫太陽的引力飛出太陽系。宇宙有四種宇宙速度：

第一宇宙速度7.9公里/秒，這種速度只能在地球大氣層外的太空範圍繞地球飛行，地球引力仍拽住飛船。

第二宇宙速度11.2公里/秒，用這速度飛行的飛船可以掙脫地球引力進入真正的太空。

第三宇宙速度16.7公里/秒可以掙脫太陽引力飛出太陽系。

第四宇宙速度220公里/秒可飛出銀河系進入本星系群即真正的宇空。

宇宙微塵4

你理解錯了。太陽系不是一個圓片。

太陽系是一簇星群。

好像是一個旋風柱，各星球自轉著跟隨著風柱的整體向（前）旋轉著飛行，這就是“公轉”。

所以不論向上、向下你都出不了太陽系！

古書今讀

太陽星雲中的氫氣和塵埃因為萬有引力結合在一起，角動量守恆使整個太陽系旋轉得越來越快，旋轉把整個太陽系形成了我們今天看到的圓盤狀，太陽在中心，行星嵌在圓盤的周圍，太陽、月亮、行星和它們的衛星都在相對較小的區域內運動。太陽系也並不是完全平的，有些天體比黃道平面略高或略低，比如矮行星冥王星和鬩神星都偏離黃道，鬩神星長時間未被發現的原因之一是它的軌道距離黃道太遠。

為什麼我們不把太空探測器垂直於黃道發射到太陽系外呢？

首先，地球是在黃道上繞太陽高速運動的，公轉的速度約為每秒30公里，這意味著任何離開地球的物體都以其自身的速度加上地球的軌道速度運動。為了把一個太空探測器垂直地發射到太陽系外，首先需要大量的燃料來抵消探測器在地球軌道上的運動。只有在那之後，你才能推動探測器垂直方向，使它垂直向上飛，離開黃道。其次，第三宇宙速度即擺脫太陽系引力的速度16.7公里每秒是根據航天器入軌速度與地球公轉速度切線方向一致時計算出來的，如果改變方向垂直黃道發射，所需速度就要遠大於16.7，這意味著航天器發射將需要更多的燃料，以及要對有效載荷進行妥協。

其次，人類想探索的東西，大多數都在太陽系的黃道平面上。因此，將探測器沿太陽系平面水平發射更有意義，能夠沿著黃道平面探索，訪問木星、土星、天王星和海王星。在黃道的平面之外真的沒有多少東西。如果真的發射一個垂直上升到太陽系外的探測器，它可能最終會撞上奧爾特雲，但以旅行者1號的速度要300年後才能到達奧爾特雲。

然而，並不是說人類從來沒有垂直向上發射過探測器。

早在1990年，美國宇航局NASA和歐洲航天局ESA就發射了一個名為尤利西斯（Ulysses）的太空探測器，其主要任務是繞太陽軌道運行，並在所有緯度對其進行研究。因此，尤利西斯必須通過改變自己的軌道傾角離開太陽系的平面。為了做到這一點，它首先以通常的平面內飛行方式飛向木星，然後利用木星的引力將尤利西斯推進到80度的軌道傾角，人類第一次能夠從上面和下面看到太陽。

事實上，旅行者1號和旅行者2號的逃逸軌跡也分別偏離黃道平面35度和80度。

科學閏土

整個的太陽系並不是扁平的，而是一個球狀的。

目前我們認識到的太陽系邊界是奧爾特雲，這是一個呈球狀分佈在太陽系邊緣的由無數碎石和冰塊組成的球體，之所以稱作雲，就是因為其組成是無數微小天體，同時滿布在很大的一片空間中。

我們雖然稱之為雲，示意圖往往也也密集，但實際上這裡是非常空曠的。可以想象將一把灰塵，均勻的散佈到數十公里的範圍內，那麼灰塵之間的距離將是多麼遙遠，大概每立方米還不到一粒灰塵。

然而，這片雲也是在太陽的引力作用下，圍繞著太陽緩慢運轉著，其直徑達到2光年，這就是太陽系的邊緣。

我們通常認為太陽系是片平的，實際上是以8大行星為主以及衛星，小行星，彗星等天體運轉的軌道為基本視角的。因為角動量的問題，所以這些天體均分佈在太陽赤道的延伸面附近，因此才會讓人覺得太陽系的扁平狀的假象。

實際上，太陽的引力是各向均勻的，無論向那個方向飛，離開太陽系的距離都是一樣的，也就是半徑1光年那麼遠。這個距離對於今天的人類來說還是一個無法達到的距離，也許未來會真正離開太陽系吧。

寒蕭99

並不會很快。

1.太陽系並非扁平的。雖然八大行星基本在同一個平面（黃道平面）上，但它們所佔據的其實只是太陽系中心的一小塊區域。太陽系的真正邊界要到奧爾特雲再向外一些。而奧爾特雲一般認為是球形的。所以太陽系的真正邊界應該更像一個球面。而且太陽系的範圍不應該只是看物質分佈，而應該看其引力主導的區域。飛出太陽系應該是以基本擺脫了太陽引力為標準。而太陽引力往各個方向的引力基本是均勻的。垂直黃道平面並不會有太大優勢。

2.垂直黃道平面會加大發射難度。現在的航天器發射時，為了降低成本，會利用地球自轉的速度為航天器增速。在發射到地月系以外時，也會利用地球公轉的速度。而若垂直黃道平面，便無法利用這一優勢。克服地球引力部分消耗的能量影響不大。可在克服太陽引力部分的能耗會提高約16倍（而且前提是兩種方案都沒有利用引力彈弓效應）。

3.垂直於黃道平面會錯失利用引力彈弓的機會。實際上，旅行者脫離地球后的速度，根本不足以飛出太陽系。後面還利用了各大行星的引力彈弓效應加了速。旅行者一號就藉此速度翻了將近一倍。把這點算進去，從黃道平面發射要多消耗幾十倍的能量。

綜合來看，垂直黃道平面並不能更快，反而更困難。

知識獵手幸運馬蹄

我們從上帝視角來看太陽系整體呈現出扁平狀的結構，地球繞太陽公轉的軌道面被稱為黃道面，其他七個大行星繞太陽公轉的軌道面非常貼近於黃道面。八大行星中只有冥王星比較特殊，它的公轉軌道面與黃道面有大於17°的傾斜，其他行星相對來說就小一點。不僅僅是太陽系如此，更大一級的銀河系整體也呈現出扁平狀的結構。銀河系的直徑20萬光年，中心厚度1.2萬光年，太陽系位於一條旋臂之上距離銀心2.6萬光年繞其運動

因此就經常有人問：人類發射探測器為什麼不垂直於黃道面發射，這樣就很快的可以飛出太陽系了？例如旅行者一號、二號姐妹。發除此疑問的可能忽略了三個問題，我們一一來說明一下。

1.太陽系的直徑

對於太陽系的直徑問題，是隨著人類航天探測的加深越來越大的，首先最開始認為太陽系的八大行星範圍就是太陽系的直徑；其次認識到太陽風的存在，認為太陽風的作用範圍是太陽系的直徑；而最新的觀點認為太陽系的直徑應該是太陽的引力作用範圍，當然這裡要狹義的理解，引力是長程力理論上可以到無限遠處。

2.探測器的科學任務

航天探測每一次的發射燒的都是錢，發射火箭不是你過年時候放的串天猴，不能只為了圖高興就垂直髮射。例如旅行者系列探測器，主要目的是為了探測太陽系的外圍氣態行星：木星、土星、天王星、海王星以及這幾顆大行星的衛星。

旅行者號如果垂直黃道面發射，這幾顆大行星及其衛星就無法被探測了，因此發射探測器的意義何在哪？

3.目前的科技水平難以達到

現在的旅行者一號和旅行者二號已經具備了飛出太陽系的速度，也就是超過了當前所在位置的第三宇宙速度。旅行者號是逆著太陽飛行，很簡單的道理受力方向和運動方向相反，那麼物體的運動速度就會減慢。以旅行者一號為例，已經飛行了42年依舊有很高的速度，並非是其所帶燃料充足的原因。而是通過幾顆大行星的引力彈弓效應給提的速，這實際上才是主要的目的。

綜上所述也就是旅行者號不垂直黃道面向上或者下飛行的原因了

關鍵字: 太陽系 黃道面 科學