" 旅行者 "1、2 號探測器已經(jīng)在太陽系中飛行了 40 多年。如今，它們已經(jīng)飛出了日球?qū)樱蔀閮H有的兩個進入星際空間的人造物體。隨著電能衰竭，研究人員不得不逐步關(guān)閉 " 旅行者 " 號的儀器，并計劃在本世紀 30 年代結(jié)束這項任務。從那時起，它們將與地球失去聯(lián)系，開啟無盡的星際流浪。

撰文｜蒂姆 · 福爾杰（Tim Folger）

翻譯｜丁一

如果星星沒有排列成行，有史以來最卓越的航天器就永遠不會起飛。這里所提到的星星實際上都是行星——太陽系中最大的四顆行星（木星、土星、天王星、海王星）。大約 60 年前，這四顆行星慢慢形成了特殊的排列，而上一次出現(xiàn)這樣的情況還是在 19 世紀初，托馬斯 · 杰斐遜（Thomas Jefferson）擔任美國總統(tǒng)的時候。在很長一段時間里，這種罕見的行星排列幾乎沒有引起關(guān)注。第一個注意到這個現(xiàn)象的人是一名航空學博士生，名叫加里 · 弗蘭德羅（Gary Flandro），那時他正就讀于美國加州理工學院。

1965 年，太空探索的時代剛剛開始——蘇聯(lián)在 8 年前發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星 " 斯普特尼克 "1 號（Sputnik 1）。當時弗蘭德羅正在加利福尼亞州美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）兼職，他的任務是找到最有效的方法，將太空探測器送往木星，可能的話，甚至是送往土星、天王星或海王星。他用 20 世紀工程師最喜歡的精密工具——鉛筆——繪制了這幾顆巨行星的運動軌跡，并發(fā)現(xiàn)了一件奇妙的事情：在 20 世紀 70 年代末 80 年代初，這四顆行星將會像珍珠一樣串成一條天體項鏈，與地球一起形成一條長弧線。

這個巧合意味著，航天器在經(jīng)過每顆巨行星時，都能從巨行星的引力中獲得提速。這就好比牽引探測器的無形繩索在最后一秒斷裂了，將探測器甩向前方。經(jīng)弗蘭德羅計算，這種所謂的重復引力助推，可以把探測器在地球和海王星之間的飛行時間從 30 年縮短至 12 年。要實現(xiàn)這一點，必須抓住契機，因為這種行星聯(lián)珠現(xiàn)象每 176 年才發(fā)生一次。為了在 " 四星聯(lián)珠 " 發(fā)生時到達目標行星，科學家必須在 20 世紀 70 年代中期發(fā)射一個探測器。

" 旅行者 " 號的旅程

顯然，NASA 想要利用這個百年難遇的機會，因此他們設計了兩個航天器—— " 旅行者 "1 號（Voyager 1）和 " 旅行者 "2 號（Voyager2）。這兩個航天器一模一樣，在 1977 年夏天的 15 天內(nèi)相繼發(fā)射。" 旅行者 " 號在太空中已經(jīng)飛行了近 45 年，目前仍在運行，每天從比太陽系最遙遠的行星還遠的地方向地球傳回數(shù)據(jù)。它們比歷史上任何其他航天器都飛得更遠，工作時間更長。而且，根據(jù)科學家對日球范圍的理解，" 旅行者 " 號已經(jīng)進入了銀河系的星際空間。它們是首批到達那里的人造物體，并將在未來的幾十年內(nèi)繼續(xù)保持此殊榮。最初，" 旅行者 " 號任務計劃只持續(xù) 4 年，就這點而言，現(xiàn)有的紀錄還算不錯。

在 40 年前的早期探索中，" 旅行者 " 號讓研究人員第一次近距離看到了木星和土星的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星上有活火山和冰原裂縫，這讓他們驚訝不已。天文學家原本以為這些衛(wèi)星會像月球一樣毫無生氣，表面遍布隕擊坑。1986 年，" 旅行者 "2 號成為第一個飛掠天王星的航天器；3 年后，它又飛過了海王星。到目前為止，它是唯一一個完成這種旅行的航天器。現(xiàn)在，作為星際探測器先鋒的 " 旅行者 " 號已距離地球超過 193 億千米，它們在未知星際空間中獲得的一系列意外發(fā)現(xiàn)讓理論天文學家既興奮又困惑。

" 旅行者 "2 號在 NASA 噴氣推進實驗室進行測試。

然而，" 旅行者 " 號的精彩旅程終將結(jié)束。從今年開始，NASA 計劃關(guān)閉 " 旅行者 " 號的一些系統(tǒng)，以維持剩余的能量儲備，將它們那史無前例的旅程延長至 2030 年左右。對于那些從一開始就為 " 旅行者 " 號項目工作的科學家來說，這是一個苦樂參半的時刻。這項遠遠超過他們預期的項目現(xiàn)在就要結(jié)束了。

" 我們?yōu)檫@個項目工作了 44 年半，相當于將航天器的保修期延長到了原計劃的 10 倍。" 美國約翰 · 霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的物理學家拉爾夫 · 麥克納特（RalphMcNutt）說。他職業(yè)生涯的大部分時間都在研究 " 旅行者 " 號。

飛向星際空間

現(xiàn)在，兩個 " 旅行者 " 號探測器離地球非常遙遠，以光速傳播的單向無線電信號需要近 22 個小時才能追上 " 旅行者 "1 號，18 多個小時才能追上 " 旅行者 "2 號。每天它們都會再飛行 3~4 光秒的距離。" 旅行者 " 號與地球的唯一聯(lián)系是 NASA 的深空探測網(wǎng)（DeepSpace Network），這是由分布在全球的三個跟蹤綜合體構(gòu)成的網(wǎng)絡，能夠在地球旋轉(zhuǎn)時與航天器進行不間斷的通信。隨著 " 旅行者 " 號在空間和時間上離我們越來越遠，它們的信號也越來越微弱。澳大利亞堪培拉的深空探測網(wǎng)外聯(lián)和通訊經(jīng)理格倫 · 內(nèi)格爾（GlenNagle）說：" 地球是一個嘈雜的地方，收音機、電視、手機 …… 都會產(chǎn)生噪音。因此，我們越來越難接收到來自‘旅行者’號的微弱信號了。"

1993 年，格尼特對星際空間邊界的距離，即所謂的日球?qū)禹敚╤eliopause）的距離，進行了計算，并將日球?qū)禹數(shù)木嚯x設定為 116~177 個天文單位（AU，1AU 是指地球到太陽的平均距離，相當于 1.5 億千米），大約增加到原來的 25 倍。他說，這些估算并沒有得到同行的認同。截至 1993 年，" 旅行者 "1 號的飛行里程已達到 50AU。" 如果日球?qū)禹斁嚯x我們 120AU，這意味著‘旅行者’號還要再飛行 70AU。" 如果格尼特的估算正確，那么以 " 旅行者 " 號大約 3.5AU/ 年的前進速度，至少 20 年內(nèi)，" 旅行者 " 號仍然不會離開日球?qū)印?/p>

在 1977 年發(fā)射后的 45 年里，" 旅行者 " 號前往了人造探測器從未到過的宇宙空間。

這個預測帶來了令人擔憂的問題：美國國會能否長期支持 " 旅行者 " 號任務？對這項任務的資助已得到延長，科學家期望任務結(jié)束在約 50AU 處，即 " 旅行者 " 號穿越日球?qū)禹數(shù)臅r候。但是，" 旅行者 " 號早已飛過了 50AU 的里程碑，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何預期中的星際空間邊界。天文學家曾設想 " 旅行者 " 號會探測到突然增強的銀河系宇宙線——高能粒子像彈片一樣，以接近光速的速度從超新星或其它深空大爆炸過程中噴射出來。由日球?qū)有纬傻木薮蟠爬O（magneticcocoon）會使大部分低能宇宙線在到達太陽系內(nèi)部之前發(fā)生偏轉(zhuǎn)。斯通說：" 太陽磁繭為我們屏蔽了至少 75% 的外部宇宙線。"

" 旅行者 " 號的地面團隊也在等待探測器記錄到主導磁場轉(zhuǎn)變的跡象?？茖W家認為星際磁場是由附近的恒星和巨大的電離氣體云產(chǎn)生的，它很可能與日球?qū)拥拇艌龇较虿煌?。但?" 旅行者 " 號至今還沒有檢測到這種變化。

在 2018 年 11 月，當 " 旅行者 "2 號到達星際邊界時，它也未能探測到磁場的變化。而且這臺航天器又提出了另一個難題：它在距離地球 120AU 的地方遇到了日球?qū)禹敗c 6 年前 " 旅行者 "1 號所記錄的日球?qū)禹斁嚯x相同。這一結(jié)果與任何理論模型的預測都不相符，所有理論模型都認為日球?qū)禹攽撆c太陽的 11 年周期同步膨脹或收縮。在這一期間，太陽風起伏不定。當 " 旅行者 "2 號到達時，太陽風正處于頂峰時期，如果理論模型是正確的，那么太陽風應該將日球?qū)禹斚蛲馔频奖?120AU 更遠的地方?？死锩准拐f：" 這是所有理論物理學家都沒有想到的，我認為從‘旅行者’號的發(fā)現(xiàn)來看，理論模型仍存在不足。"

" 旅行者 " 號還能運行多久？

有些東西的使用壽命比不上它們的硬件壽命，最后變成了收藏品——答錄機、錄像機和硬幣等。" 旅行者 " 號則不然，它們使用 50 年前的技術(shù)，完成了遠遠超過設計壽命的任務。" ‘旅行者’號儀器上的軟件數(shù)量少得可憐，當時根本不存在計算機微處理器！" 克里米吉斯說。" 旅行者 " 號的設計者不可能用成千上萬行的代碼來幫助操作航天器。克里米吉斯說：" 總的來說，我認為‘旅行者’號任務之所以能持續(xù)這么久，是因為幾乎所有的東西都是由硬件連接的。如今的工程師不知道如何做到這一點。我不知道現(xiàn)在是否有可能建造出像‘旅行者’號一樣簡潔的航天器?！眯姓摺柎蟾艜亲詈笠粋€。"

與這些開拓性的探測器說再見并不容易。" 我們都不想看到任務結(jié)束，" 卡明斯說，" 但是‘旅行者’號探測器已經(jīng)取得了相當驚人的成就。我們本不可能到達日球?qū)禹數(shù)?，但如今已?jīng)做到了。"

" 旅行者 "2 號上正常運轉(zhuǎn)的儀器現(xiàn)在還剩下 5 個，" 旅行者 "1 號還剩 4 個。所有這些儀器都由一個裝置提供電力，這個裝置可以把钚放射性衰變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能。但隨著輸出功率每年減少約 4 瓦，NASA 不得不采用了分流模式。兩年前，" 旅行者 " 號任務的工程師關(guān)閉了宇宙線探測器的加熱器，該探測器是確定穿過日球?qū)禹數(shù)年P(guān)鍵設備。既然 " 旅行者 " 號已經(jīng)到達了日球?qū)禹?，所有人都以為這個儀器會停止運轉(zhuǎn)。

施皮爾克說：" 這里的溫度下降了約 60~70 ℃，遠遠超出了任何儀器的設計運作極限，而宇宙線探測器卻一直在正常工作，這是多么的不可思議啊。"

" 旅行者 " 號最后停止運行的兩個儀器很可能是磁力計和等離子體科學儀器。它們裝在飛船的船體內(nèi)，計算機發(fā)出的熱量為它們保溫。其他儀器都懸掛在一個 13 米長的玻璃纖維吊桿上。多德說："當加熱器關(guān)閉后，所有儀器都會變得非常非常冰冷。"

即使 " 旅行者 " 號處于完全靜默的狀態(tài)之后，它們的飛行旅程仍將繼續(xù)。16 700 年之后，" 旅行者 "1 號將經(jīng)過離我們最近的恒星，半人馬座比鄰星。再過 3600 年之后，" 旅行者 "2 號將緊隨其后。然后，" 旅行者 " 號將繼續(xù)在銀河系中繞行數(shù)百萬年。即使將來我們的太陽坍塌、日球?qū)硬粡痛嬖凇挥锰嵛覀兊牡厍蛄恕?" 旅行者 " 號仍然會幾乎完好無損地在銀河系中環(huán)游。也許，在未來的某個時刻，" 旅行者 " 號會成功地傳出最后一條信息。這條信息不會是由無線電傳輸?shù)模绻鼙唤邮盏?，那接收者一定不是人類?/p>