鄧雪梅/編譯

“旅行者”探測器的奇幻歷險

鄧雪梅/編譯

圖1.“旅行者”1號、2號分別于1980年和1981年飛掠土星，并傳回了土星前所未有的圖像。2012年，“旅行者”1號成為了第一艘進入星際空間的探測器；不久“旅行者”2號也緊隨其后

●一項初始計劃僅為四年的“旅行者”空間探測任務成就了迄今仍在運行、時間跨度長達幾十年之久的星際之旅。就“旅行者”1號而言，到2025年左右可能因動力耗竭而停止工作，再也無法向地球傳送數據。然而在運行期間，它們向人類呈現(xiàn)的結果既前所未有，又令人興奮。

當1977年“旅行者”1號、2號空間探測器相繼發(fā)射之時，國際上圍繞深空探測計劃開展已近20年了：1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆環(huán)繞地球的“人造地球衛(wèi)星-1”；1962年12月、1965年7月，美國宇航局（NASA）的“水手”2號、4號探測器分別飛掠金星和火星；1970年代，“先驅者”10號、11號先后飛往木星和土星，并在1979年首次向人類呈現(xiàn)了這兩顆行星的輪廓概貌。然而，對于系外行星（木星、土星、天王星和海王星）的探測，“旅行者”取得的成就更令人期待。

1989年，隨著“旅行者”2號飛離海王星之后（其時“旅行者”已成功飛越了四顆外行星），便開始了新的星際任務：在炙熱的太陽風和相對較冷的局部星際介質中首次進行直接的體驗。就在“旅行者”發(fā)射之時，當時沒有人知道這個邊界會有多遠，僅僅估計出超越木星軌道的大概距離，即5至50個天文單位（1個天文單位等于1.5億千米，大約是太陽到地球的距離）。后來發(fā)現(xiàn)，這個邊界遠比任何人想象的要遠得多。

在日球層（太陽和太陽風影響的區(qū)域），由于受到來自銀河系磁場壓強的約束，伴隨著與太陽噴發(fā)出的高速帶電粒子流（太陽風）形成的一個大氣泡，這一現(xiàn)象是由等離子體和宇宙線所主導的——這些宇宙線起源于大約幾百萬年前的超新星爆發(fā)——其太陽風輻射流從每秒300千米減至每秒100千米的終端激波區(qū)域。在那里，太陽等離子體運動方向發(fā)生偏轉，溫度從10 000開爾文上升到100 000開爾文，形成了一個稱做日球層鞘的區(qū)域，最終，等離子體不再向外流動。

越過這個區(qū)域就是日球層頂，即太陽系等離子體磁場和銀河系等離子體磁場之間的邊界。在邊界之外，可能存在一個弓形激波（類似在水面上扔一塊鵝卵石所產生的漣漪），只不過漣漪是由太陽運動產生的，包括日球層頂也包含在弓形激波中，其中充滿了星際介質。在日球層頂對面，可能會形成一個猶如彗尾一樣的低密度等離子體。

在之前與系外行星的四次交會過程中，“旅行者”啟用了其所攜帶的全部儀器。由于探測器的動力是由放射性同位素熱電發(fā)生機所提供，在接下來的星際任務中，為了節(jié)省能源，僅開啟了其中五臺必需的裝置，分別是磁強計（測量環(huán)境磁場的大小及方向）；等離子體波天線（測量10赫茲至56千赫茲頻率范圍的等離子體波的電場分量）；宇宙線傳感器（測量高能宇宙線和相對論性電子強度、組成和譜線）；低能帶電粒子探測器（測量低能量粒子及流動方向）和等離子體傳感器（測量太陽風離子和電子的特性）。

其中，每臺裝置所完成的特定測量，能夠充分描述行星際和局部星際介質的特性。目前，等離子體傳感器仍在“旅行者”2號上運行。

圖2.“旅行者”目前僅有五臺裝置還在供電（“旅行者”2號上的等離子體傳感器仍在運轉），包括低能帶電粒子探測器上的一個能將探測器旋轉360度的電機被認為會失靈，但經歷了38年的探測后仍在運轉。

復雜的軌跡

圖3.上圖顯示了“旅行者”1號、2號星際交會期間的運動軌跡。前者于1980年朝向土星的黃道以北飛行，后者于1989年朝向海王星的黃道以南飛行。如果沒有引力助推，它們就不會飛行得那么遠。下圖將逃逸太陽引力（虛線）及“旅行者”2號的速度（實線）進行了比較，給出了兩者到達太陽徑向距離的變化。實施在“旅行者”2號的引力助推速度凈效果來自于木星、土星和天王星，這些速度都超過了太陽系的逃逸速度

事實上，讓“旅行者”探測任務順利實施絕非易事。因為從地球上發(fā)射的火箭其推力難以使探測器越過木星的軌道。而借助引力助推技術則可改變探測器的速度及運動方向，即行星的引力猶如一把彈弓，將動量添加到探測器軌道的能量中把探測器推出太陽系——引力助推技術可以使探測器到達距離太陽更遠的地方。包括逆向飛掠，即探測器沿著行星自轉的反方向飛行，以此可以減少動量、能量和改變探測器的方向。如果行星處在適當的位置，引力助推可以將探測器送往更遠的另外一顆行星。

1965年，美國噴氣推進實驗室（JPL）的加里·弗蘭德羅（Gary Flandro）指出，這種機率每176年才出現(xiàn)一次，探測器可以最短的時間從一顆行星飛往另一顆行星，而且其逃逸速度快于太陽系7公里/秒。這意味著太陽的引力不再是制約探測器速度的因素了。這次機會就出現(xiàn)在1977年，JPL為此承擔了探測器及飛行軌道設計的工作。

在早期的設計中，JPL團隊計劃“旅行者”1號在遇到土星后便飛往冥王星，而實際上，“旅行者”1號飛越土星后徑直近距離飛掠了土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六；隨后便沿著一條日心軌道朝向太陽向點的方向飛行。太陽向點指的是太陽系相對于局部恒星群運動的方向（見圖3）。

利用木星、土星、天王星及海王星的特殊位置排列，“旅行者”2號在飛越木星時獲得相對于太陽的10千米/秒的速度，飛越土星時獲得4千米/秒的速度，在天王星與海王星處分別獲得2千米/秒和-3千米/秒的速度（速度降低原因是近距離飛掠海王星的衛(wèi)星——海衛(wèi)一——進行了逆向飛掠）。然而，“旅行者”2號的日心速度為15.6千米/秒，遠遠超過太陽系的逃逸速度。

從1979年到1989年，“旅行者”行星飛越的發(fā)現(xiàn)征服了公眾的想象力，并呈現(xiàn)出前所未有的空間探測熱情，逐漸掀開了人類隱約感知的美麗世界的面紗。例如，木衛(wèi)一照片顯示，火山活動導致熔巖的沉積使地貌發(fā)生變化，這是首次在地球以外發(fā)現(xiàn)的火山活動，其最大火山釋放出的能量至少是地球任何火山的十倍；木衛(wèi)二，被發(fā)現(xiàn)一個數十千米的固體冰表層，暗示著液體海洋的存在；木衛(wèi)三被證實有冰冷的表層，包括地質運動產生的年老和較年輕地貌構造；木衛(wèi)四則是以長的環(huán)形山鏈和一個非常古老地表為特征。

在飛越木星的過程中，“旅行者”還拍攝了木星的一個類似颶風構造的“大紅斑”（“大紅斑”17世紀由伽利略發(fā)現(xiàn)的，大小近乎地球的2.5倍），同時還發(fā)現(xiàn)外行星的特殊磁場——表現(xiàn)在磁軸和自轉軸不重合，從外行星中心開始兩者就發(fā)生偏移。例如，海王星兩個軸的夾角為47度，偏移量為55%。這些數值用行星磁場誕生理論無法解釋，目前仍不了解其產生的原因。

圖4.上圖為太陽和日球層截面圖。噴射出的太陽風和其壓強與星際介質作用后產生的大氣泡。太陽風在終端激波處開始減速。下圖顯示了“旅行者”在穿過終端激波之前，來自太陽的帶電粒子逐漸減少。

多樣的粒子

盡管“旅行者”行星成像是驚人的，但一些最具啟發(fā)性的數據卻來自非常細小的測量。例如，“旅行者”1號、2號在測量高能電子和離子的分布中，包括了對起源于日球層的能量在0.14到0.22兆電子伏之間的低能離子和絕大部分質子（見圖4），以及能量在70兆電子伏左右的銀河宇宙線質子。與銀河宇宙線（其速度為67至172.8天文單位/天）相比，低能離子的速度為3.0至3.7天文單位/天，盡管相對較慢，但仍比太陽風的平均速度（0.25天文單位/天）快得多，使得它們能遠離其源區(qū)。

“旅行者”1號、2號分別用了27和30年的時間測量了太陽風，包括在內日球層觀測到的高能離子和電子主要產生于太陽活動高峰年（其時太陽黑子很多），以及由太陽耀斑場及日冕物質拋射形成的激波所產生的太陽高能粒子。

直到2000年，“旅行者”測量到的兩種離子數強度同到太陽徑向距離的平方成反比，包括另一種稱作離子源的新生離子，在超過十幾個天文單位之外發(fā)揮著重要作用，尤其是在終端激波和日球層鞘里——這些離子由星際中性原子（氫、氦和氧）電離形成，以大約25千米/秒的速度漂移到日球層（銀河宇宙線的質子主要來自于日球層以外，如銀河系中恒星爆炸成為超行星時形成的激波）。離子一旦進入到日球層中，勢必要“對抗”外流的攜帶有螺旋狀磁場的太陽風，后者包含了疊加的小尺度磁場擾動和來自太陽活動的大尺度擾動。

其結果是，隨著“旅行者”遠離太陽并朝向局部星際介質運動的過程中，銀河宇宙線的強度在穩(wěn)定增長。但這與11年太陽周期變化主要是太陽黑子峰值和銀河宇宙線峰值之間呈反相關。

在1998-2000年期間，低能離子強度達到最低值后逐漸開始增加（見圖5）。2004年12月16日，“旅行者”1號穿越了終端激波，并用時8.2年探測了日球層鞘。當時擔心逼近的終端激波其前驅離子速度同太陽的螺旋狀磁場平行，但它們卻從相反方向到達。原因是終端激波的中下段區(qū)域被施加在日球層上的不對稱壓強所減弱。

圖5.徑向（R）流動的太陽風在穿過終端激波時開始減速，并預計在日球層鞘上獲得子午線（N）和方位角（T）分量。等離子體流的測量顯示了一個駐點區(qū)（上圖淺色區(qū)），其中“旅行者”1號在穿過日球層頂之前的徑向速度是零到波動的負值。

2007年8月29日和31日，“旅行者”2號在距離太陽83.65天文單位處沿不同路徑多次穿過終端激波，其原因可能是終端激波的表面波引起的，或是新生離子內部結構準周期性修正所引起。目前“旅行者”2號在日球層鞘，正準備向日球層頂區(qū)域飛行。對于探測器的位置而言，日球層鞘是相對穩(wěn)定的，不僅具有高強度的低能離子均勻層，而其質子能量從0.03兆電子伏到30兆電子伏。

在穿越終端激波前后，“旅行者”2號上的等離子體傳感器實施了熱等離子體的測量。然而，僅僅基于等離子體數據，終端激波的聲速遠低于這一區(qū)域中的流速，這意味著終端激波實際上并不是技術意義上的激波。研究者們?yōu)榇艘庾R到，在計算日球層鞘聲速時必須要考慮非熱離子的壓強影響，盡管這些粒子遠低于“旅行者”低能帶電粒子裝置的測量范圍。我們知道，碰撞和加熱后的新生質子分布在日球層鞘區(qū)域，這是因為熱質子同冷中性氫原子的電荷交換所致，由此產生的高能中性原子被另外兩艘探測器觀測到——分別是位于1個天文單位的“星際邊界”探測器及位于10個天文單位的“卡西尼”探測器。

一個值得注意的發(fā)現(xiàn)是，“旅行者”1號在穿越日球層鞘時在那里探測到了意想不到的等離子體流的演化。正如圖5所示，太陽風的徑向分量（R）在穿過終端激波時被減速和發(fā)生偏轉，而預計在日球層鞘中獲得子午線（N）和方位角（T）分量。自1981年以來，“旅行者”1號上的等離子體探測器就不再運行了。然而，低能帶電粒子裝置在R-T平面的各個方向上測量到低能離子。當低能離子試圖進入到等離子體時（如在日球層鞘中），這些不同方向的數據被用來代替等離子體探測器數據，以此能估計出日球層鞘中等離子體流的R和T分量。

當“旅行者”1號深入到日球層鞘時，T分量仍然很小且相對是個常數，其值從-20至-40千米/秒，而R分量在97個天文單位處達到100千米/秒峰值，隨后便減小到113個天文單位處的0千米/秒。這種變化本身并不奇怪，因為徑向速度在日球層頂處應該為0。然而，“旅行者”1號卻在遠離日球層頂2個天文單位處測量到的速度仍為0（從115到121個天文單位范圍中，速度是波動的，但其平均值在-15千米/秒）。換句話說，這顯示了日球層鞘等離子體是以某種方式同流入的局部星際介質等離子體發(fā)生了耦合。

我們都想知道：日球層鞘到底發(fā)生了什么？難道是徑向流被分流到N方向了嗎？

為了幫助回答這個問題，在2011年初，地面控制人員發(fā)出指令讓“旅行者”1號旋轉90度與地球形成直線，并每隔幾個月使其保持數小時這種姿態(tài)，便于測算N方向的速度。結果顯示，2011和2012年N方向的速度為幾千米/秒，這意味著徑向流并沒有被分流到N方向。此后提出的幾個模型試圖解釋這種現(xiàn)象，但迄今仍沒有一個模型能作出完美的解釋。

飛離太陽系

雖然進入了日球層鞘的邊緣，但令人奇怪的事情發(fā)生了。我們的估計是，探測器一旦到達日球層頂，太陽風等離子體的消散將伴隨著銀河系宇宙線的增加和磁場方向的變化。然而，“旅行者”所揭示的事實卻完全不一樣。

在距離太陽121.6天文單位處，銀河系宇宙線強度從2012年5月7日逐漸增強，7月28日開始波動，最后在8月9日至8月25日又開始增強，其中沿著磁場方向最為明顯，但磁場垂直方向幾乎沒有增強。理論上的估計是，銀河系宇宙線在局部星際介質中沒有一個特殊的方向——太陽粒子的偶然減少在方向上的分布不會是均勻的。

與銀河系宇宙線增強不同，粒子會沿著磁場迅速逃逸，而不是垂直于磁場慢慢逃逸。磁場強度的增加與粒子的變化相一致，但在短期事件中其方向幾乎保持不變，如發(fā)生在2012年8月25日后的不連續(xù)性也一直如此。此外，磁場強度達到了整個日球層的四倍。

由太陽風形成的太陽磁場的方位角方向（T分量）預計會轉換到南北向的星際磁場中，實際上卻并非如此。除過去一年中的幾段時間外，銀河系宇宙線一直是各向異性的（分布并不一致），直到今天仍然如此。這些令人困惑的細節(jié)引發(fā)了一場曠日此久的爭論：“旅行者”1號是否還在星際空間？

一方面，銀河系宇宙線和預計的那樣在增強，但卻是各向異性的，以及它們的分布是由磁場排序的，包括太陽物質的消失也和預計的一樣。但出乎意料的是，這些物質逃逸也是經由磁場排序的。事實上磁場方向并沒有發(fā)生變化，仍然與太陽風磁場近乎相同，有人為此暗示：8月25日穿越的并不是真正的日球層頂。

實際上對于各種各樣的論據，來自“卡西尼”土星軌道探測器探測到的高能中性粒子（可以全天對太空進行遠程成像），暗示了太陽物質在任何能量下都可能會消失。正如觀測的一樣，這些論據給出了日球層頂位置的估計值為121個天文單位，但任何一個理論都不能解釋銀河系宇宙線的各向異性。

其中，等離子體密度、溫度及方向等數據是需要解決的難題之一。2013年4月，等離子體天線觀測到曾多年不見的電子等離子體振蕩頻率，將這些結果轉化成密度后，被認為是十分接近對相對冷的星系的等離子體預期的估計值。與之相比，“旅行者”2號仍在工作的等離子體探測器測量的日球層密度約小50倍。

雖然等離子體溫度不能被測量，但高密度足以證明“旅行者”1號已經遠離日球層頂，并已進入到局部星際介質中。必須注意的是，電子等離子體振蕩的突然出現(xiàn)，很可能是源于2012年3月的一次太陽活動，由此產生的等離子體云在13個月后到達了“旅行者”1號所在的位置。實際上，等離子體天線數據的更詳細的分析，顯示出在同年10-11月觀測到的類似的較低密度振蕩，很可能是更早時期的一次太陽活動引起的，從而可推斷出“旅行者”1號在2012年8月下旬穿過了日球層頂。

圖6.由天文觀測推測出的太陽系相對于局部星際介質的運動。這幅圖顯示了帶有恒星球層（相對于太陽的日球層）的已知恒星?！奥眯姓摺蓖窘浫涨驅幽軌蚋嬖V我們更多關于宇宙空間更廣泛區(qū)域的構成

2013年9月9日，“旅行者”研發(fā)團隊在其所在的約翰·霍普金斯大學召開了一次會議（“旅行者”1號的整個觀測是在那里被呈現(xiàn)），會議分析和與當前模型進行比對后，達成的共識是：2012年8月25日，這艘探測器在121.6個天文單位處穿越了日球層頂，從發(fā)射和到達日球層頂花費時間為35年，并已經進入了局部星際介質中，

進入星際空間后，“旅行者”將繼續(xù)給我們提供驚喜。銀河系整個環(huán)境并不是我們想象的那樣是平靜和溫和：在2014年，銀河系宇宙線的數據顯示了各向異性后存在著周期性的各項同性寧靜，就好似偶爾的“海嘯”在波及日球層頂時擾動了上游的介質。這些“海嘯”很可能起源于太陽，經由日球層頂傳播，最終到達了“旅行者”1號所在的位置。

很顯然的是，其中有一個區(qū)域超出了日球層頂，可能導致了弓形激波（超過日球層頂后太陽的影響會減弱）。如果是這樣的話，這個距離至少離日球層頂10個天文單位，目前“旅行者”1號正在那里（距離太陽大約是131個天文單位）。

團隊的合作

1977年發(fā)射升空，迄今已在太空運行了長達38年的“旅行者”1號、2號探測器，它們的空間探測任務具有劃時代的意義：前者實現(xiàn)的任務遠遠超出了初期目標，并在繼續(xù)它的發(fā)現(xiàn)之旅（日球層頂外環(huán)境目前仍然未知，隨著探測器的運行，將會揭示出更多的新現(xiàn)象）；后者目前位于108個天文單位、黃道以南31度，正在日球層頂區(qū)域探測，其一臺正在工作的等離子體裝置，或將回答“旅行者”1號給出的一些問題，例如，銀河系等離子體的溫度和方向流及弓形激波存在的原因。

“旅行者”究竟還能運行多久？這主要取決于探測器上的放射性同位素熱電發(fā)生機，即能將钚-238放射性衰變中的熱量轉化成電能。钚-238半衰期是87.7年，發(fā)射時功率為465瓦，現(xiàn)在已降至264瓦。按照目前的功率，就“旅行者”1號而言，很可能運行到2020年，到2025年左右，甚至沒有足夠的動力來操縱一臺儀器。盡管有些失望，但其向人類呈現(xiàn)的結果很難讓我們對這一初始計劃僅為四年的探測任務抱怨些什么。

有人說“旅行者”本質上并沒有離開太陽系，僅僅是離開了太陽的電離大氣層——日球層。換句話說，它們離開了太陽的化學環(huán)境區(qū)域，卻沒有離開太陽的引力環(huán)境。這完全正確，因為在奧爾特云系中的彗星仍然以大約10萬天文單位的距離圍繞著太陽運轉。如果動力不是問題的話，以目前17千米/秒的速度，“旅行者”1號將用40 000年時間飛經一顆叫做AC+79 3888的恒星（位于鹿豹座），在其漫長孤獨的旅行中仍不失為一次親密的接觸。

可惜的是，目前還沒有一個接替“旅行者”星際任務的空間探測計劃，即使現(xiàn)有技術實現(xiàn)了25年飛越200個天文單位，或50年飛越500個天文單位。因此，從“旅行者”任務獲得的認知難以被新一代接盤者復制和提升。向當初設計“旅行者”探測器的工作人員致敬，祝賀他們取得了非凡的成功，這些探測結果使我們受益良多。

[資料來源：www.americanscientist.org] [責任編輯:則鳴]