穿行宇宙40年!人类最远的探测器,即将迎来最后的告别

“旅行者”1、2号探测器已经在太阳系中飞行了40多年。如今,它们已经飞出了日球层,成为仅有的两个进入星际空间的人造物体。随着电能衰竭,研究人员不得不逐步关闭“旅行者”号的仪器,并计划在本世纪30年代结束这项任务。从那时起,它们将与地球失去联系,开启无尽的星际流浪。

撰文|蒂姆·福尔杰(Tim Folger)
翻译|丁一

如果星星没有排列成行,有史以来最卓越的航天器就永远不会起飞。这里所提到的星星实际上都是行星——太阳系中最大的四颗行星(木星、土星、天王星、海王星)。大约60年前,这四颗行星慢慢形成了特殊的排列,而上一次出现这样的情况还是在19世纪初,托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson)担任美国总统的时候。在很长一段时间里,这种罕见的行星排列几乎没有引起关注。第一个注意到这个现象的人是一名航空学博士生,名叫加里·弗兰德罗(Gary Flandro),那时他正就读于美国加州理工学院。

1965年,太空探索的时代刚刚开始——苏联在8年前发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克”1号(Sputnik 1)。当时弗兰德罗正在加利福尼亚州美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)兼职,他的任务是找到最有效的方法,将太空探测器送往木星,可能的话,甚至是送往土星、天王星或海王星。他用20世纪工程师最喜欢的精密工具——铅笔——绘制了这几颗巨行星的运动轨迹,并发现了一件奇妙的事情:在20世纪70年代末80年代初,这四颗行星将会像珍珠一样串成一条天体项链,与地球一起形成一条长弧线。

这个巧合意味着,航天器在经过每颗巨行星时,都能从巨行星的引力中获得提速。这就好比牵引探测器的无形绳索在最后一秒断裂了,将探测器甩向前方。经弗兰德罗计算,这种所谓的重复引力助推,可以把探测器在地球和海王星之间的飞行时间从30年缩短至12年。要实现这一点,必须抓住契机,因为这种行星联珠现象每176年才发生一次。为了在“四星联珠”发生时到达目标行星,科学家必须在20世纪70年代中期发射一个探测器。

“旅行者”号的旅程

显然,NASA想要利用这个百年难遇的机会,因此他们设计了两个航天器——“旅行者”1号(Voyager 1)和“旅行者”2号(Voyager 2)。这两个航天器一模一样,在1977年夏天的15天内相继发射。“旅行者”号在太空中已经飞行了近45年,目前仍在运行,每天从比太阳系最遥远的行星还远的地方向地球传回数据。它们比历史上任何其他航天器都飞得更远,工作时间更长。而且,根据科学家对日球范围的理解,“旅行者”号已经进入了银河系的星际空间。它们是首批到达那里的人造物体,并将在未来的几十年内继续保持此殊荣。最初,“旅行者”号任务计划只持续4年,就这点而言,现有的纪录还算不错。

在40年前的早期探索中,“旅行者”号让研究人员第一次近距离看到了木星和土星的卫星,这些卫星上有活火山和冰原裂缝,这让他们惊讶不已。天文学家原本以为这些卫星会像月球一样毫无生气,表面遍布陨击坑。1986年,“旅行者”2号成为第一个飞掠天王星的航天器;3年后,它又飞过了海王星。到目前为止,它是唯一一个完成这种旅行的航天器。现在,作为星际探测器先锋的“旅行者”号已距离地球超过193亿千米,它们在未知星际空间中获得的一系列意外发现让理论天文学家既兴奋又困惑。

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“旅行者”2号在NASA喷气推进实验室进行测试。

然而,“旅行者”号的精彩旅程终将结束。从今年开始,NASA计划关闭“旅行者”号的一些系统,以维持剩余的能量储备,将它们那史无前例的旅程延长至2030年左右。对于那些从一开始就为“旅行者”号项目工作的科学家来说,这是一个苦乐参半的时刻。这项远远超过他们预期的项目现在就要结束了。

“我们为这个项目工作了44年半,相当于将航天器的保修期延长到了原计划的10倍。”美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的物理学家拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)说。他职业生涯的大部分时间都在研究“旅行者”号。

飞向星际空间

现在,两个“旅行者”号探测器离地球非常遥远,以光速传播的单向无线电信号需要近22个小时才能追上“旅行者”1号,18多个小时才能追上“旅行者”2号。每天它们都会再飞行3~4光秒的距离。“旅行者”号与地球的唯一联系是NASA的深空探测网(Deep Space Network),这是由分布在全球的三个跟踪综合体构成的网络,能够在地球旋转时与航天器进行不间断的通信。随着“旅行者”号在空间和时间上离我们越来越远,它们的信号也越来越微弱。澳大利亚堪培拉的深空探测网外联和通讯经理格伦·内格尔(Glen Nagle)说:“地球是一个嘈杂的地方,收音机、电视、手机……都会产生噪音。因此,我们越来越难接收到来自‘旅行者’号的微弱信号了。”

1993年,格尼特对星际空间边界的距离,即所谓的日球层顶(heliopause)的距离,进行了计算,并将日球层顶的距离设定为116~177个天文单位(AU,1AU是指地球到太阳的平均距离,相当于1.5亿千米),大约增加到原来的25倍。他说,这些估算并没有得到同行的认同。截至1993年,“旅行者”1号的飞行里程已达到50AU。“如果日球层顶距离我们120AU,这意味着‘旅行者’号还要再飞行70AU。”如果格尼特的估算正确,那么以“旅行者”号大约3.5AU/年的前进速度,至少20年内,“旅行者”号仍然不会离开日球层。

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在1977年发射后的45年里,“旅行者”号前往了人造探测器从未到过的宇宙空间。

这个预测带来了令人担忧的问题:美国国会能否长期支持“旅行者”号任务?对这项任务的资助已得到延长,科学家期望任务结束在约50AU处,即“旅行者”号穿越日球层顶的时候。但是,“旅行者”号早已飞过了50AU的里程碑,却没有发现任何预期中的星际空间边界。天文学家曾设想“旅行者”号会探测到突然增强的银河系宇宙线——高能粒子像弹片一样,以接近光速的速度从超新星或其它深空大爆炸过程中喷射出来。由日球层形成的巨大磁茧(magnetic cocoon)会使大部分低能宇宙线在到达太阳系内部之前发生偏转。斯通说:“太阳磁茧为我们屏蔽了至少75%的外部宇宙线。”

“旅行者”号的地面团队也在等待探测器记录到主导磁场转变的迹象。科学家认为星际磁场是由附近的恒星和巨大的电离气体云产生的,它很可能与日球层的磁场方向不同。但是“旅行者”号至今还没有检测到这种变化。

在2018年11月,当“旅行者”2号到达星际边界时,它也未能探测到磁场的变化。而且这台航天器又提出了另一个难题:它在距离地球120AU的地方遇到了日球层顶——与6年前“旅行者”1号所记录的日球层顶距离相同。这一结果与任何理论模型的预测都不相符,所有理论模型都认为日球层顶应该与太阳的11年周期同步膨胀或收缩。在这一期间,太阳风起伏不定。当“旅行者”2号到达时,太阳风正处于顶峰时期,如果理论模型是正确的,那么太阳风应该将日球层顶向外推到比120AU更远的地方。克里米吉斯说:“这是所有理论物理学家都没有想到的,我认为从‘旅行者’号的发现来看,理论模型仍存在不足。”

“旅行者”号还能运行多久?

有些东西的使用寿命比不上它们的硬件寿命,最后变成了收藏品——答录机、录像机和硬币等。“旅行者”号则不然,它们使用50年前的技术,完成了远远超过设计寿命的任务。“‘旅行者’号仪器上的软件数量少得可怜,当时根本不存在计算机微处理器!”克里米吉斯说。“旅行者”号的设计者不可能用成千上万行的代码来帮助操作航天器。克里米吉斯说:“总的来说,我认为‘旅行者’号任务之所以能持续这么久,是因为几乎所有的东西都是由硬件连接的。如今的工程师不知道如何做到这一点。我不知道现在是否有可能建造出像‘旅行者’号一样简洁的航天器。‘旅行者’号大概会是最后一个。”

与这些开拓性的探测器说再见并不容易。“我们都不想看到任务结束,”卡明斯说,“但是‘旅行者’号探测器已经取得了相当惊人的成就。我们本不可能到达日球层顶的,但如今已经做到了。”

“旅行者”2号上正常运转的仪器现在还剩下5个,“旅行者”1号还剩4个。所有这些仪器都由一个装置提供电力,这个装置可以把钚放射性衰变产生的热量转化为电能。但随着输出功率每年减少约4瓦,NASA不得不采用了分流模式。两年前,“旅行者”号任务的工程师关闭了宇宙线探测器的加热器,该探测器是确定穿过日球层顶的关键设备。既然“旅行者”号已经到达了日球层顶,所有人都以为这个仪器会停止运转。

施皮尔克说:“这里的温度下降了约60~70℃,远远超出了任何仪器的设计运作极限,而宇宙线探测器却一直在正常工作,这是多么的不可思议啊。”

“旅行者”号最后停止运行的两个仪器很可能是磁力计和等离子体科学仪器。它们装在飞船的船体内,计算机发出的热量为它们保温。其他仪器都悬挂在一个13米长的玻璃纤维吊杆上。多德说:“当加热器关闭后,所有仪器都会变得非常非常冰冷。”

即使“旅行者”号处于完全静默的状态之后,它们的飞行旅程仍将继续。16 700年之后,“旅行者”1号将经过离我们最近的恒星,半人马座比邻星。再过3600年之后,“旅行者”2号将紧随其后。然后,“旅行者”号将继续在银河系中绕行数百万年。即使将来我们的太阳坍塌、日球层不复存在——更不用提我们的地球了——“旅行者”号仍然会几乎完好无损地在银河系中环游。也许,在未来的某个时刻,“旅行者”号会成功地传出最后一条信息。这条信息不会是由无线电传输的,如果能被接收到,那接收者一定不是人类。
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