太陽系邊界的探索
——記艾德·斯通36年的“旅行者”計劃心路

王 奔/編譯

太陽系邊界的探索
——記艾德·斯通36年的“旅行者”計劃心路

王 奔/編譯

艾德·斯通(EdStone)辦公室里半米長的書架上整齊地擺放著他的44本記錄冊。在這些印刷精致的冊子里，斯通記錄了人類有史以來運(yùn)行時間最長的太空飛船。

“旅行者”姊妹飛船自 1977年發(fā)射以來，已經(jīng)史無前例地幫助人類探索了木星、土星、天王星和海王星。人類也從來自兩艘飛船的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)這些行星和它們的衛(wèi)星要比之前預(yù)期的活躍很多。現(xiàn)在，兩艘飛船要前往一個人類衛(wèi)星從未觸及的地方——太陽系的邊緣。

兩艘飛船尚在設(shè)計籌劃時斯通就已經(jīng)參與相關(guān)工作。現(xiàn)在，斯通是“旅行者”計劃中第一位項目執(zhí)行科學(xué)家，目前為止也是唯一一位。他的工作是協(xié)調(diào)操縱飛船的工程師和使用“旅行者”飛船的研究人員的需求。不論從哪個角度來講，斯通都是成功的。A·英格索爾(AndrewIngersoll)是加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家，參與過“旅行者”飛船探索木星和土星的工作，他調(diào)侃道：“斯通讓不和諧的樂隊合奏出優(yōu)美的曲子。”

對很多人來說，處亂不驚的斯通已經(jīng)成為“旅行者”飛船的代名詞，即使現(xiàn)在探測飛船還沒進(jìn)入太陽系邊緣這一嶄新空間，斯通已經(jīng)與“旅行者”飛船計劃融合在了一起。目前，“旅行者”1號飛船在距地球190億千米的星際區(qū)域運(yùn)行。去年7月，“旅行者”飛船遇到了一股來自太陽的帶電粒子流——這似乎預(yù)示著這艘飛船很快將飛出太陽系。

現(xiàn)年77歲的斯通在默默地關(guān)注著飛船的情況。他不會在“旅行者”飛船探索科學(xué)世界如此重要的階段結(jié)束自己的工作生涯。坐在加州理工學(xué)院辦公室的書架前面，這位精靈古怪的物理學(xué)家似乎感覺到退休將要來臨而顯得有些準(zhǔn)備不足。

談到“旅行者”飛船，斯通就好像在描述自己的座駕一樣：“‘旅行者’之所以一直在運(yùn)行，就是因為它在不停地發(fā)現(xiàn)。”

太空物理學(xué)的雄心

斯通在愛荷華州密西西比河邊的伯靈頓的小鎮(zhèn)長大。他爸爸做建筑施工方面的工作，經(jīng)常會修理一些機(jī)器。年輕的斯通很喜歡讀 《大眾科學(xué)》和《知識大全》，并且自己搭建無線電接收器。

當(dāng)時原子物理學(xué)正處在黃金發(fā)展期，斯通高中畢業(yè)那年，他的一位老師給他推薦了位于核物理學(xué)先驅(qū)費(fèi)米的故鄉(xiāng)——伊利諾伊州的芝加哥大學(xué)物理學(xué)系。于是斯通離開了家鄉(xiāng)，開始了核物理的學(xué)習(xí)生涯。1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類史上第一顆人造衛(wèi)星——Sputnik。斯通為此決定轉(zhuǎn)向太空物理方面的研究。在研究生階段，他參與開發(fā)的氣球和衛(wèi)星搭載的探測器，可以用來跟蹤太空射向大氣層的高速粒子和宇宙射線。1964年，憑借著之前出色的工作，他得到了一個研究員職位；不久之后就作為正式教員加入加州理工學(xué)院新建的太空物理研究組。

斯通之前在宇宙射線探測器項目的成功引起了位于帕薩迪納的美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的注意。當(dāng)時 JPL正在開發(fā) “旅行者”1號飛船，起初項目名稱是 “1977水星——木星水手計劃”。JPL在1972年引進(jìn)了斯通。他的工作是作為項目執(zhí)行科學(xué)家，管理飛船的科研工作需求（后來，這項計劃成為了有史以來最偉大的太空探索計劃）。

太空探索的過程并不是一帆風(fēng)順的。比如，為“旅行者”2號攜帶科學(xué)儀器的桁架在發(fā)射后不能完全展開，致使在同一探針上的主雷達(dá)接收器在1978年春天完全喪失功能，工程師們被迫改用備用系統(tǒng)。

這些問題連同其他的故障給斯通帶來了很大壓力，他在負(fù)責(zé)儀器管理的研究員和處理故障的工程師之間周旋協(xié)調(diào)，還要在飛船有限的條件下解決在科學(xué)上可以解決的問題。

實驗結(jié)果在1979年開始不斷涌現(xiàn)。“旅行者”1號和“旅行者”2號先后飛過木星，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一上的火山被木星強(qiáng)大的引力折曲，有硫從火山噴出。經(jīng)過木衛(wèi)二時，探測儀發(fā)現(xiàn)其衛(wèi)星覆蓋冰的表層下面有長長的碎片，這成為了海洋表面下可能存在外星生命的線索。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了一個溫度高達(dá)數(shù)億攝氏度的等離子體掩蓋了木星的磁層。除了這些發(fā)現(xiàn)之外，還有很多其他的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在已經(jīng)寫入行星方面的科學(xué)教科書中。

在1980-1981年抵達(dá)土星時，探測器發(fā)現(xiàn)了保護(hù)土星最外層行星環(huán)中冰體和塵埃的牧羊人衛(wèi)星，它們扭曲成奇怪的形狀。“旅行者”還研究了吞噬行星南北極點(diǎn)的巨大極光。

接下來，任務(wù)控制員將“旅行者”1號發(fā)送到一條離開行星表面飛向行星與星際空間的邊界的軌道。“旅行者”2號在1986年抵達(dá)天王星，在天王星上發(fā)現(xiàn)了兩個新的環(huán)帶，10顆新的衛(wèi)星和一片離行星自轉(zhuǎn)軸非常遙遠(yuǎn)的奇怪磁場。從天王星主群衛(wèi)星中最小也是最內(nèi)層的天衛(wèi)五的拍攝圖片上看，天衛(wèi)五表面有一個深深的V字形槽，這表明天衛(wèi)五可能有一段奇異的地質(zhì)歷史。

1989年 “旅行者”2號到達(dá)如同平靜的藍(lán)色盤子一般的海王星，發(fā)現(xiàn)海王星上的風(fēng)速高達(dá)2100公里/小時 （是太陽系中最快的風(fēng)）——形成大小與地球相似的“大黑斑”風(fēng)暴。一個僅僅能接收到照耀地球、形成地球氣候環(huán)境的太陽能量的0.1%的星球，居然有這般劇烈的氣象運(yùn)動，這是科學(xué)家們未曾料想的。

斯通喜歡說在“旅行者”號上獲得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)比他料想的要多一倍，“我們學(xué)到的東西遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象。”

善于團(tuán)隊合作

同事們評價斯通在“旅行者”計劃探索中功勞最大。作為項目科學(xué)家，他從一開始就主持由11位主要調(diào)研員組成的科學(xué)指導(dǎo)小組。在小組成員對觀測的優(yōu)先順序意見不能達(dá)成一致時，斯通會及時介入并作出決策——從根本上選擇誰來實現(xiàn)新的發(fā)現(xiàn)。

斯通說，他有一書架的筆記本，詳細(xì)記錄了每個人的工作，這讓他們知道他會進(jìn)行全方位的考慮。JPL的埃利斯·邁納(EllisMiner)是“旅行者”號經(jīng)過土星、天王星、海王星時的助理項目科學(xué)家，他說：“我們都確信他是公平的。”

斯通打破了當(dāng)時的慣例，在“旅行者”號的 11次觀察中，他讓科學(xué)家進(jìn)行跨組合作。如在飛越木星之前，他創(chuàng)建了圍繞四個關(guān)鍵主題：月亮、光環(huán)、大氣和磁層的四個總體工作小組，每個小組的任務(wù)都是專注于利用“旅行者”號上的儀器以解答不同的問題。斯通說，這一做法可以使來自不同儀器組的成員不得不跨越組別討論交流，“這樣我就不必一直居中協(xié)調(diào)了。”

即便是這樣，緊張的局面也仍然會發(fā)生。斯塔馬修·克里米格斯(StamaiosKrimigis)是“旅行者”號探測器低能粒子探測設(shè)備的首席科學(xué)家，他回憶起一次與等離子儀器組的“對峙”事件。當(dāng)時他負(fù)責(zé)的粒子探測器通過旋轉(zhuǎn)傳感器掃描天空不同部分時，干擾了負(fù)責(zé)等離子儀器的科學(xué)家的工作。最后斯通提出了一個折中的解決方案：讓粒子探測設(shè)備旋轉(zhuǎn)時快、時慢或停止，以此減少震動。“最后盡管我們的不高興程度是一樣的”，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的克里米格斯說，“但他是個很好的談判家。”

“旅行者”2號1989年離開海王星后，兩艘飛船又有了新的使命：旅行者恒星際使命。因為沒人知道飛船飛行到太陽系的邊界到底需要多久，這一使命承載著許多期望。然而中間那幾年斯通還是非常地忙碌。從1991年到2001年，他擔(dān)任JPL主管，目睹了許多任務(wù)的成功，如1997年“探路者”號飛船著陸火星，也見證了火星軌道飛行器和著陸器的失敗。這是美國航天工業(yè)處于“發(fā)展更快、更好、更廉價”太空飛船的時代。斯通承認(rèn)，這些任務(wù)以失敗告終，原因是JPL操之過急了。

從繁忙的崗位上退休之后，斯通重返教師崗位，并在加州理工學(xué)院繼續(xù)從事研究工作。如今，他幾乎很少踏上去往“旅行者”號控制中心的 210高速公路，當(dāng)然，也沒什么必要去了，因為工程師們每天都在進(jìn)行日常的任務(wù)，以保證探測器的正常和與飛船的聯(lián)系。他們的工作日益艱難：“旅行者”2號已經(jīng)距離太陽 152億公里，“旅行者”1號距離太陽186億公里。

“每當(dāng)人們不再關(guān)注我，我就假裝自己離開了太陽系”

四月的一個清晨，工作團(tuán)隊和“旅行者”1號進(jìn)行了一次極其緩慢的對話，工程師羅杰·路德維希(RogerLudwig)正在測試一個新的指令程序（該程序旨在應(yīng)對天地之間通信的限制）。指令以光速抵達(dá)飛船，花了超過17個小時，飛船上的回應(yīng)需同樣多的時間。在黎明前的幾個小時里，他正焦急地在等候回音。

緩慢的數(shù)字流從一堆電腦顯示器上彈出，結(jié)果看起來很不錯，但是“旅行者”號工作團(tuán)隊在對程序做改動之前還會將代碼測試幾次。該計劃經(jīng)歷了這么久，工程師們不希望犯任何一點(diǎn)愚蠢的錯誤。“我們都感覺像在操縱一個國寶飛行”，路德維希說。

這些人中也包括斯通，他一直參與“旅行者”號項目計劃，渴望從中有更多的發(fā)現(xiàn)。飛船飛離冥王星之后是漫長等待，團(tuán)隊經(jīng)常談及飛船進(jìn)入星際空間在即，任務(wù)控制中心附近的辦公室門上有一張看似十分孤獨(dú)的“旅行者”號的照片，上面還有這樣一段話：“每當(dāng)人們不再關(guān)注我，我就假裝自己離開了太陽系。 ”

最后的邊界

飛船離開軌道比科學(xué)家們想象的更加復(fù)雜，“旅行者”1號在日光層邊緣附近。日光層是來自太陽的帶電粒子圍繞太陽系形成的巨大保護(hù)層，保護(hù)行星不受到那些在星際空間飛速劃過的高能粒子的干擾。

2004年 12月，“旅行者”1號上的低能粒子儀器檢測到太陽風(fēng)突然減速，這一跡象似乎表明飛船已經(jīng)進(jìn)入了日光層附近動蕩的邊界地帶。

2012年7月和8月，即便“旅行者”號開始記錄高能粒子，太陽風(fēng)的速度還是下降到基本為零。克里米格斯稱這些變化“徹頭徹尾地出乎意料”。按照他們的推測，“旅行者”1號可能已經(jīng)飛過邊界地帶進(jìn)入星際空間了。

然而，科學(xué)小組對這一推測持謹(jǐn)慎態(tài)度，因為還沒有其他跡象可以證明他們的推測。當(dāng)“旅行者”1號真正進(jìn)入星際空間時，斯通和其他人認(rèn)為磁場的方向會顯著自東向西（由太陽牽引）變?yōu)殡S機(jī)改變方向。到目前為止，“旅行者”1號上磁強(qiáng)針的數(shù)據(jù)顯示磁場方向基本沒有改變。

科學(xué)家們一直在努力解讀飛船上這些信號。四月的一天，斯通皺著眉頭仔細(xì)檢查粒子的數(shù)據(jù)圖。“雖然我們不在星際空間，我們現(xiàn)在正在看太陽系外是什么樣子。”他說，“根據(jù)目前的磁場情況推斷，飛船還沒有走出太陽系。”他和其他任務(wù)科學(xué)家認(rèn)為，“旅行者”1號是在某種連接太陽的磁場線和星際空間，即能使帶電粒子進(jìn)入邊界區(qū)域的“磁公路”上。在舊金山召開的美國地球物理聯(lián)合會（AGU）會議上，科學(xué)家們介紹了他們的最新成果，他們將會把記錄詳細(xì)結(jié)果的系列論文發(fā)表在美國的 《科學(xué)》雜志上。

斯通對“旅行者”號上發(fā)來的信息進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。比如，今年三月當(dāng)AGU發(fā)布“旅行者”1號已經(jīng)離開太陽系的新聞時，他迅速反駁這一消息，他說什么時候飛船飛離太陽系飛船才會離開。

到那個時候，“旅行者”號將會進(jìn)入科學(xué)上全新的領(lǐng)域，粒子探測儀將會測量到銀河宇宙線（銀河宇宙線非常微弱，不能穿過日光層進(jìn)入太陽系，在太陽系內(nèi)是無法測量的）。“旅行者”號上的磁力計將能夠精確計量附近恒星之間的磁場強(qiáng)度，科學(xué)家們最終能夠窺視到真正的深空是什么樣子的。

“旅行者”1號離開日光層后返回的信息 “是我們從這一區(qū)域唯一可以獲得的數(shù)據(jù)，這是令人難以置信的成就，”梅拉夫·奧佛(MeravOpher)，美國馬薩諸塞州波士頓大學(xué)的天體物理學(xué)家說。

隨著關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換時期越來越近，斯通愈發(fā)緊張。為了確保科學(xué)家們隨時捕捉變化情況，他強(qiáng)烈推薦一個被稱為深空網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大的覆蓋全球的巨型天線網(wǎng)絡(luò)。目前，每天都有10個小時的寶貴的天線時間。

能源危機(jī)

然而，斯通和他的團(tuán)隊操控它們的時間非常有限。“旅行者”1號到太陽的距離是日地距離的124倍，每年還會增加3.6個這樣的天文單位。飛船上的信號在逐漸減弱。兩個探測器都由自帶的钚產(chǎn)生器放射性衰變產(chǎn)生315瓦電量，電量每年都會衰減4瓦左右。原來的10個儀器，“旅行者”2號上還有5個在工作，而 “旅行者”1號上還剩4個在工作。

到2020年，因為電量的消退，任務(wù)管理者將不得不開始逐個關(guān)閉更多的科學(xué)儀器。決定哪個儀器要先關(guān)閉的任務(wù)就落在了項目科學(xué)家的身上。斯通說，如果要他做決策的話，他還沒有想好要先斃掉哪一個儀器。

到2025年，所有的钚電源都將失去電量，“旅行者”號將成為永久的廢船。它們將可能永遠(yuǎn)不會像靠近太陽一樣靠近其他恒星，它們著名的黃金記錄將會無聲地在太空漂移。

當(dāng)然斯通是沒有時間懷舊感傷的，還有許多發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)。此外，他還有許多其他的工作，他在30米望遠(yuǎn)鏡公司的董事會任副主席。等到30米望遠(yuǎn)鏡2020年在美國夏威夷莫納克亞火山頂修建完工，這架望遠(yuǎn)鏡將會成為全球最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。有一天，望遠(yuǎn)鏡的巨大鏡面將會提供比“旅行者”號更遙遠(yuǎn)的恒星系的影像。

斯通還在幫助發(fā)展太陽探測附加任務(wù)，這一任務(wù)旨在讓探測器以前所未有的近距離接近太陽。探測器將會沿著精確的環(huán)形軌道飛行，幾次經(jīng)過金星后會和太陽有近距離的相遇，一次次劃入太陽表面的10個太陽半徑以內(nèi)。探測器的熱防護(hù)罩可以承受2000攝氏度的高溫，探測器上的儀器將會搜集太陽風(fēng)的形成過程和形成地點(diǎn)。

斯通站在辦公室門外，注視著貼滿了關(guān)于太陽過去幾個活動周期活動情況的打印資料的公告板。“我從來沒有對探索宇宙感到沮喪和失望，”他說，“我很幸運(yùn)我有正確的事情做，我很幸運(yùn)我參與過十分成功的項目。”

新的太陽探測器將會在2018年發(fā)射,在2024年4月會經(jīng)歷與太陽的第一次近距離相遇。屆時斯通已經(jīng)近89歲，即便是這樣，他仍希望能夠在新發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)的那時獲得第一手的信息；也是在那時，“旅行者”號飛船將會與地球失去聯(lián)系進(jìn)入浩瀚的宇宙。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：粒 灰]