發現“先驅者”異常的始末

鄧雪梅/編譯

“先驅者”10號

●30年前，被送往探測外太陽系的第一個探測器飛行速度開始出乎意料地減慢。現在我們終于知道到底發生了什么。從發現“先驅者”異常原因的漫長過程中，數據的重要性顯現無疑，尤其是我們現今所處的大數據時代。數據存儲或許是廉價的，但當涉及數據保存或管理時，我們仍缺乏遠見或是短視的。在識別這種異常的努力中某種程度看似是一部偵探故事，但這是一部保存看似乏味數據而足以為戒的故事。

40多年前，0.25噸的一快電路和遙感器掙脫了地球引力的束縛，迅速掠過月球和火星，沖向木星——“先驅者”10號和“先驅者”11號，當時已經在太空中飛行了一年。它們給人類呈現了超越太陽系小行星帶的首次驚鴻一瞥的同時，也留下了一個謎團——一個困惑和啟發天體物理學家數十年的謎團。

像許多謎題一樣，這個謎題僅僅開始于一個小暗示：似乎有些不對勁。就在“先驅者”10號、11號飛越木星和土星軌道后不久，地面控制人員開始注意到：兩艘飛船的飛行速度似乎比預計的要慢，就好像某種力在非常巧妙地牽引著它們向后朝向太陽。

減速的量級似乎可以忽略不計，僅僅是我們在地球表面所經歷引力加速度的一億分之一。起初，地面控制人員認為是燃料泄漏或是探測器行為瞬態偏差造成的。如果它沒有成為一個令人不安的細節的話，就沒有人會把這個異常放在心上。許多年以來，隨著這兩個探測器越來越深入太空，這一差異一直存在，并且沒有人能夠搞明白它來自于哪里。

異常：多種解釋難以釋懷

在1998年宣布了這一現象時，正是這一異常被首次發現的15年之后。不久便出現了許多潛在解釋，諸如“先驅者”異常的減速量級同宇宙加速膨脹的量級相當，或這一異常展現了太陽系中同樣的宇宙膨脹。然而，這僅僅是一種可能性。一些人懷疑，兩個探測器是被暗物質云牽引或在大尺度上所暴露的引力定律的破壞；一些人認為，兩個探測器或許已經發現了額外維或奇特反物質存在的第一手證據。

總之，成百上千篇的論文都試圖用新物理學來解釋“先驅者”異常，但沒有一個解釋能夠令人完全滿意。現在，通過對探測器的記錄、機載傳感器和導航數據的詳細研究以及軌道建模后，我們相信我們最終知曉了答案。

當20世紀60年代中葉設計“先驅者”10號、11號時，之前沒有任何探測器超出火星軌道的范圍，也沒人知道探測器穿越火星和木星之間的小行星帶有多么的危險，更沒人知道抵擋環繞木星的強烈輻射區域有多么的困難。但是，設計者們依然認為他們需要讓這些任務實施。

遠離木星，日光強度大約是地球上的4%，太暗以至于不能為太陽能電池板提供動力，每艘探測器為此攜帶了四個放射性同位素熱電發生器（RTG）——RTG通過使用雙金屬熱電偶把钚238的放射性衰變徑直變成電流而轉換成熱量，其燃料的88年半衰期意味著探測器有長達幾十年的額外能源。

“先驅者”10號和11號上最大的單一組件是高增益天線 （一個2.74米寬的反射器），主要用于地球接收：能接收到超越火星軌道以外的信號。探測器絕大部分的控制和科學儀器都位于這個碟形天線的后面

為了同地球進行通訊，每個探測器都配備了2.74米寬的碟形天線，碟形天線繞著其軸轉動以保證探測的穩定性。如果天線從同地球校準的位置上掉了出來，那么入射信號會碰撞到天線的外軸，其時，特殊電路會“注意”到出現的信號調制，進而電路會給推進器點火以修正探測器的方向。

當1972年3月2日 “先驅者”10號發射后，它穿過小行星帶并于次年12月飛過了木星，其軸外單像素光電探測器構建出木星的圖像。而1973年4月6日發射的“先驅者”11號，在“先驅者”10號飛離木星的一年后再次飛掠木星，并隨后利用這顆氣態巨行星的引力來改變它的飛行軌道——完成了第一次引力助推。5年以后“先驅者”11號飛入了土星環中。

隨著地球遁入遠處，地球繞太陽的視運動也削弱了。結果，推進器逐年減少點火次數以便調整“先驅者”10號和11號指向地球天線的方向，這猶如把探測器變成了主要的彈道對象。也正因為如此，它們成為了僅受引力影響的理想探測器。

建模：旨在縮小排查范圍

此時，由美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的天文學家約翰·安德森（John D.Anderson）領導的團隊開始使用這些導航數據進行外太陽系引力環境的一些高精度測量，包括特里謝夫（Turyshev）在內，他們仔細地尋找軌道中的微小變化。這些變化或許由于未被發現的行星引起，抑或是宇宙大爆炸期間所產生的長引力波引起。對于這兩種可能性并沒有任何信號現象反映。相反，這些導航揭示了某種意想不到的東西存在，并且很難予以解釋。

作為引力探測，安德森團隊主要依靠NASA的深空探測網接收信號，該探測網位于世界的三個不同區域，其間遍布了許多大型無線電天線，由這些天線陣列與“先驅者”探測器互相發送信號。由于兩個探測器沒有精密振蕩器，它們利用接收到的頻率調整后返回信號。通過測量“先驅者”信號頻率發生的變化，地面人員能夠鑒別出探測器相對于地球的視向速度（這是一個時間和分析的問題）。在探測器飛行足夠長的弧段重復測量的視向速度，能夠用來控制它們的飛行路徑。

為了找出任何未知的效應，安德森團隊開始考慮能夠改變探測器運動或其所發信號頻率的所有事項，他們為此建造了一個模型，以此考慮所有已知的太陽系天體引力影響、太陽氣象、太陽輻射壓、信號在行星際空間傳播過程中的廣義相對論等影響。

當這些因素被注入到探測器軌道模型中，安德森團隊希望看到接收到的信號同預言的幾毫赫茲以內相匹配，但沒有。1980年代，安德森等注意到一個更加顯著的差異時——處于幾十毫赫茲的水平——事情很快變得清晰了：差異并不僅僅是隨機噪聲。

如果在探測器上施加一個微小、常數朝向太陽的力的話，那么導航模型的精度可以被修復。然而，這在已知的物理學領域并沒有現成的解釋。1998年，當這一發現在《物理評論快報》上發表后，理論物理學家便迅速以各種提議來回應，但仍有揮之不去的疑慮。

熱輻射是其中的一個主要候選者。“先驅者”的RTG效率十分低下，發生器給每個探測系統提供大約100瓦電力，在這情況下它們向太空中輻射了2.5千瓦的熱量。難道“先驅者”的輕微減速能通過一個微小的不對稱得到解釋？如果僅僅60瓦熱量在探測器的后方被輻射掉，那么動量守恒會使它們在朝向地球的另一個方向反沖，這或許可以用來解釋這種異常。

安德森團隊為此花了幾年時間擬定了一個研究方案：處理了來自“先驅者”10號10多年的數據以及“先驅者”11號幾乎4年的數據，編制了一個關于誤差可能來源的目錄，并在2002年發表了一篇近60頁的文章，詳細描述了所有可能涉及的問題。

安德森團隊推斷熱反沖或許并不能解釋“先驅者”異常。原因有二：一是，在長達2.5米吊桿上的RTG，似乎不可能存在多余的熱量反射探測器；二是，探測器的減速在量級上似乎是常數。如果RTG成為“先驅者”異常的原因，那么這個效應在量級上應當減少，因為钚238衰減而產生更少的動力，進而產生更少的熱量。

幸運地是，“先驅者”10號和11號絕大部分的遙測數據都被保存了下來。前“先驅者”研究團隊工程師拉里·凱洛格（Larry Kellogg）幾乎擁有這兩個探測器的所有主數據記錄。2005年，在對這些遙測數據展開研究的過程中，他們與凱洛格一直保持著聯系。

數據：成就問題最終解決

數據的獲取對于破解“先驅者”異常現象非常之重要。在遙測數據的基礎上，安德森團隊開始收集包括多普勒在內所有與“先驅者”相關的數據文件，包括JPL的電腦硬盤、美國太空科學數據中心，甚至是JPL樓梯下的紙箱。最后在數據的支撐和多方配合下，“先驅者”10號的時間跨度增加到了23年，“先驅者”11號增加到了10年。

在JPL樓梯下紙箱中發現的保存有“先驅者”10號和11號數據的磁帶

在JPL，測控團隊分析了擴充后的多普勒觀測數據。如同對原始軌道分析一樣，他們把所有能影響信息傳輸的因素，諸如地球轉動與接收天線的位置、地球和太陽的氣候環境，以及整個時間跨度——“先驅者”10號31年、“先驅者”11號17年——作為變化中的通信戰略來考慮。隨著分析的逐漸完善，他們發現多普勒數據仍然在統計上存在一個不變的減速，而且這個隨時間減速的值能更好地與數據吻合。

為了找出答案，JPL招募了一個工程師團隊，由熱氣流建模專家加里·金塞拉（Gary Kinsella）領導，負責構建 “先驅者”10號、11號的熱氣流模型。最終，模型把探測器表面分成了3 300塊，并整合了構建探測器材料熱性能的所有記錄。結果，估算出“先驅者”在飛行過程中的不同時間段的熱反力沖量級。當把模型同“先驅者”的溫度等數據進行匹配后，發現這兩個探測器卻經歷著一個大小相當的熱反沖力，相當于在深空20年后超過大約60瓦。

金塞拉團隊發現，這個力的一半來自RTG的熱量（從探測器天線后面反射回來）；另一半來自探測器核心電路的電加熱 （絕大部分從探測器后面的百葉窗輻射出去），這兩股熱量致使探測器異常的減速。

在“先驅者”異常發現的30年以后，現在我們可以說根本沒有什么奇特的原因導致 “先驅者”異常，這一令人困惑的減速是由探測器本身產生的不對稱輻射造成的。

對于一些人而言，這一結論似乎是令人失望的。然而，實際上這一異常卻鞏固了“先驅者”10號、11號的歷史地位：它們完成了愛因斯坦引力理論一個高精度驗證，到達的距離幾乎是冥王星和太陽之間距離的兩倍，目前還沒有一個探測器能進行如此的實驗。“先驅者”10號、11號仍然是目前最精確的深空探測器。

從發現“先驅者”異常原因的漫長過程中，數據的重要性顯現無疑。因為在“先驅者”任務的早些年代，科學家或工程師常常認為媒體比數據更有價值。一旦“有用”的科學或技術被抽取出以后，許多人便認為原始數據就一文不值了。現今，數據存儲或許是廉價的，但當涉及數據保存或管理時，我們仍然缺乏遠見或是短視的。每次的實驗都需要保存好這些原始觀測數據，即使在幾十年后，這些數據仍然可讀可用。這也許是未來我們要解決的下一個謎題。