太陽系中的“旅行者”

尹懷勤

美國國家航空航天局（NASA）2017年12月2日報道說，旅行者1號探測器上搭載的一組推進器，在“沉睡”了37年后，于太空深處成功完成點火測試。這則消息把這個距離地球最遠的人造物體重新拉回到我們眼前。旅行者1號是迄今飛得最遠、速度最快的航天器，也是恒星際空間唯一的人造物體。雖然它飛出太陽系至少還要3萬年的時間，但它所傳回的每個信息，無不刷新人類探測器所能抵達的最遙遠的邊界。

“旅行者”的結構和性能

為了探測太陽系的行星和觀測太陽以及更遠的深空， NASA于1972年3月2日和1973年4月6日先后發射先驅者10號和11號探測器，又于1977年8月20日和9月5日相繼發射旅行者2號和1號探測器。它們都向地球發回了大量寶貴的數據資料，達到了預期目的，其中尤以旅行者1號飛得最快，目前已經飛進恒星際空間。

旅行者1號和2號是一對孿生兄弟，它們的結構基本相同，頭部是一個扁平的十面棱柱體，中央裝有燃料貯箱，在箱體上側旁邊不同方向裝有16臺小型液體火箭發動機，以供探測器改變飛行方向和調整姿態使用。棱柱體周圍安置著電子設備。其頭上戴有一頂“大草帽”，乃是直徑為3.7米的拋物面天線即定向天線。向左右伸開的兩個手臂，一個是磁強計支桿，另一個是光譜儀支架，其中除紅外光譜儀外，還有紫外光譜儀、宇宙射線探測計、等離子體探測器、廣角攝像機、窄角攝像機等。每艘旅行者號探測器都有三臺放射性同位素熱電機，利用钚238衰變時產生的熱能供電，每88年只消耗一半原料。

旅行者1號的兩臺攝像機的圖像分辨率比先驅者號提高了1000倍；有多種光學儀器用來測量行星及其衛星的反射和輻射特性，并分析它們的構成和成分；有宇宙射線探測計、等離子體探測器和磁強計等星際空間環境探測設備安裝在儀器支架上，用以測量宇宙線、帶電粒子和太陽風的邊界，研究太陽與行星間的關系；還有行星射電天文接收機及其鞭狀天線，用來了解行星和衛星的大氣層及電離層的特性。它們獲得的數據資料都用無線電信號發回地球。幸運的是，旅行者號的發射任務剛巧碰上了176年一遇的八大行星處于一線的幾何排列，可以運用引力彈弓效應予以加速。探測器只需要少量燃料以供航道修正，其余時間可以借助各個行星的引力提速，兩艘探測器只需要用上12年的時間就能造訪太陽系最遙遠的4顆行星，而非一般的30年時間。這兩艘遙遠探測器發出的信號被NASA的深空網天線接收，那是3臺布置在世界不同地點的巨型天線，專門用于接收遙遠宇宙中探測器發回的微弱信號。

“旅行者”的發現

旅行者1號是第一個提供了木星、土星以及其衛星詳細資料的探測器。旅行者1號在1979年3月5日與木星最為接近，在此前后得以對木星及其衛星、木星磁場以及輻射環境做深入了解。它發現，大紅斑是木星大氣中的一種大旋渦，猶如地球上的龍卷風。木衛一上有火山活動，活躍程度至少是地球的10倍。個兒小于月球的木衛二像個冰與奶油巧克力混合的大球體，表面上分布著彎曲條紋?？茖W家分析木衛二的照片和探測資料后提出，該衛星表面覆蓋著5000米厚的冰層，冰層下面可能有一個深達50千米的海洋。這為后來的伽利略號多次探測木衛二提供了理論依據和技術借鑒，并為科學家提出木衛二生命假說奠定了基礎。

旅行者1號于1980年11月12日最接近土星。它不僅探測到土星環的復雜結構，還對土衛六上的大氣層進行了觀測。由于發現了土衛六擁有濃密的大氣層，地面控制人員決定讓旅行者1號駛近土衛六進行研究，而造訪天王星和海王星的任務交給旅行者2號去完成。這次靠近土衛六的決定使旅行者1號受到了額外的引力影響，最終離開了地球公轉軌道面而向深空飛行，其任務已變為探測太陽風頂，以及對太陽風粒子進行測量。

1990年2月14日，旅行者1號調轉鏡頭，對準它出發的方向，拍攝了太陽系的“全家?！?。圖像中的地球只不過是一顆幾乎看不到的暗淡藍點—這便是人類搖籃在宇宙中真實的地位。木星、土星的表面重力分別是地球表面重力的2.68、1.16倍，加上其衛星的作用，故使旅行者1號的飛行速度達到了66.27千米/秒。

“旅行者”飛出太陽系了嗎

旅行者1號目前距離地球已經超過200億千米，而沿著另一條不同路徑飛行的旅行者2號距離地球也已經超過170億千米。

2014年9月13日，NASA召開新聞發布會，宣稱旅行者1號探測器已經離開太陽系，正在飛向別的恒星，它也成為首個沖出太陽系的人類制造的飛行器。可是一些航天和天文專家認為，旅行者1號只是進入了星際空間，尚未飛出太陽系。這主要是對太陽系邊界的界定不同所致。

有天文學家認為，太陽系應以日球層—太陽風發生作用的最大范圍—為界。由于太陽以220千米/秒的速度在銀河系中運動，所以日球層并非對稱的球形，在太陽運動方向上的日球層最薄，約為100個天文單位（1個天文單位約等于1.496億千米），在太陽運動的反方向這一厚度能達到500個天文單位以上。旅行者1號正是沿著太陽運動的方向飛行，故而穿越了日球層頂，離開了太陽系。

更多的天文學家則主張根據太陽的萬有引力來定義太陽系邊界。在太空中某一地方，太陽引力和臨近恒星的引力會達到平衡，這里便是太陽系的邊界。如果一個天體主要受到太陽引力的作用，圍繞太陽運動，那么它就是太陽系天體。日球層以及遙遠的小行星與彗星都在太陽系范圍內。在太陽系遙遠的疆域有一個包圍著太陽系的球體—奧爾特云團，那里孕育著1000億顆長周期彗星。奧爾特云團一直延續到距離太陽5萬～15萬個天文單位，那里是太陽引力束縛天體的最后區域。照此定義，旅行者1號需要3萬年左右才能飛出太陽系。

旅行者1號所攜帶的兩枚核電池將支持它持續工作到2025年或之后，此后，人類將失去與它的聯系。即使探測器完全靜默后，它仍然將保持目前的速度孤獨地向著宇宙深處遠航，并且一去不回。無論何時飛出太陽系，“旅行者”在人類的航天史上已成為一座具有紀念意義的里程碑。endprint