太陽(yáng)系中的“旅行者”

文/尹懷勤

美國(guó)國(guó)家航空航天局報(bào)道說(shuō)，旅行者1號(hào)探測(cè)器上搭載的一組推進(jìn)器，在“沉睡”了37年后，于太空深處成功完成點(diǎn)火測(cè)試。這則消息把這個(gè)距離地球最遠(yuǎn)的人造物體重新拉回到我們眼前。旅行者1號(hào)是迄今飛得最遠(yuǎn)、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(yáng)系至少還要3萬(wàn)年的時(shí)間，但它所傳回的每個(gè)信息，無(wú)不刷新人類(lèi)探測(cè)器所能抵達(dá)的最遙遠(yuǎn)的邊界。

“旅行者”的結(jié)構(gòu)和性能

為了探測(cè)太陽(yáng)系的行星和觀測(cè)太陽(yáng)以及更遠(yuǎn)的深空，NASA于 1972年 3月2日和1973年4月6日先后發(fā)射先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)探測(cè)器，又于1977年8月20日和9月5日相繼發(fā)射旅行者2號(hào)和1號(hào)探測(cè)器。它們都向地球發(fā)回了大量寶貴的數(shù)據(jù)資料，達(dá)到了預(yù)期目的，其中尤以旅行者1號(hào)飛得最快，目前已經(jīng)飛進(jìn)恒星際空間。

旅行者1號(hào)和2號(hào)是一對(duì)孿生兄弟，它們的結(jié)構(gòu)基本相同，頭部是一個(gè)扁平的十面棱柱體，中央裝有燃料貯箱，在箱體上側(cè)旁邊不同方向裝有16臺(tái)小型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以供探測(cè)器改變飛行方向和調(diào)整姿態(tài)使用。棱柱體周?chē)仓弥娮釉O(shè)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(xiàn)即定向天線(xiàn)。向左右伸開(kāi)的兩個(gè)手臂，一個(gè)是磁強(qiáng)計(jì)支桿，另一個(gè)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(xiàn)探測(cè)計(jì)、等離子體探測(cè)器、廣角攝像機(jī)、窄角攝像機(jī)等。每艘旅行者號(hào)探測(cè)器都有三臺(tái)放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，利用钚238衰變時(shí)產(chǎn)生的熱能供電，每88年只消耗一半原料。

旅行者1號(hào)的兩臺(tái)攝像機(jī)的圖像分辨率比先驅(qū)者號(hào)提高了1000倍；有多種光學(xué)儀器用來(lái)測(cè)量行星及其衛(wèi)星的反射和輻射特性，并分析它們的構(gòu)成和成分；有宇宙射線(xiàn)探測(cè)計(jì)、等離子體探測(cè)器和磁強(qiáng)計(jì)等星際空間環(huán)境探測(cè)設(shè)備安裝在儀器支架上，用以測(cè)量宇宙線(xiàn)、帶電粒子和太陽(yáng)風(fēng)的邊界，研究太陽(yáng)與行星間的關(guān)系；還有行星射電天文接收機(jī)及其鞭狀天線(xiàn)，用來(lái)了解行星和衛(wèi)星的大氣層及電離層的特性。它們獲得的數(shù)據(jù)資料都用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)發(fā)回地球。幸運(yùn)的是，旅行者號(hào)的發(fā)射任務(wù)剛巧碰上了176年一遇的八大行星處于一線(xiàn)的幾何排列，可以運(yùn)用引力彈弓效應(yīng)予以加速。探測(cè)器只需要少量燃料以供航道修正，其余時(shí)間可以借助各個(gè)行星的引力提速，兩艘探測(cè)器只需要用上12年的時(shí)間就能造訪(fǎng)太陽(yáng)系最遙遠(yuǎn)的4顆行星，而非一般的30年時(shí)間。這兩艘遙遠(yuǎn)探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)被NASA的深空網(wǎng)天線(xiàn)接收，那是3臺(tái)布置在世界不同地點(diǎn)的巨型天線(xiàn)，專(zhuān)門(mén)用于接收遙遠(yuǎn)宇宙中探測(cè)器發(fā)回的微弱信號(hào)。

“旅行者”的發(fā)現(xiàn)

旅行者1號(hào)是第一個(gè)提供了木星、土星以及其衛(wèi)星詳細(xì)資料的探測(cè)器。旅行者1號(hào)在1979年3月5日與木星最為接近，在此前后得以對(duì)木星及其衛(wèi)星、木星磁場(chǎng)以及輻射環(huán)境做深入了解。它發(fā)現(xiàn)，大紅斑是木星大氣中的一種大旋渦，猶如地球上的龍卷風(fēng)。木衛(wèi)一上有火山活動(dòng)，活躍程度至少是地球的10倍。個(gè)兒小于月球的木衛(wèi)二像個(gè)冰與奶油巧克力混合的大球體，表面上分布著彎曲條紋。科學(xué)家分析木衛(wèi)二的照片和探測(cè)資料后提出，該衛(wèi)星表面覆蓋著5000米厚的冰層，冰層下面可能有一個(gè)深達(dá)50千米的海洋。這為后來(lái)的伽利略號(hào)多次探測(cè)木衛(wèi)二提供了理論依據(jù)和技術(shù)借鑒，并為科學(xué)家提出木衛(wèi)二生命假說(shuō)奠定了基礎(chǔ)。

旅行者1號(hào)于1980年11月12日最接近土星。它不僅探測(cè)到土星環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還對(duì)土衛(wèi)六上的大氣層進(jìn)行了觀測(cè)。由于發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六擁有濃密的大氣層，地面控制人員決定讓旅行者1號(hào)駛近土衛(wèi)六進(jìn)行研究，而造訪(fǎng)天王星和海王星的任務(wù)交給旅行者2號(hào)去完成。這次靠近土衛(wèi)六的決定使旅行者1號(hào)受到了額外的引力影響，最終離開(kāi)了地球公轉(zhuǎn)軌道面而向深空飛行，其任務(wù)已變?yōu)樘綔y(cè)太陽(yáng)風(fēng)頂，以及對(duì)太陽(yáng)風(fēng)粒子進(jìn)行測(cè)量。

1990年2月14日，旅行者1號(hào)調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭，對(duì)準(zhǔn)它出發(fā)的方向，拍攝了太陽(yáng)系的“全家福”。圖像中的地球只不過(guò)是一顆幾乎看不到的暗淡藍(lán)點(diǎn)——這便是人類(lèi)搖籃在宇宙中真實(shí)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(wèi)星的作用，故使旅行者1號(hào)的飛行速度達(dá)到了66.27千米/秒。

“旅行者”飛出太陽(yáng)系了嗎

旅行者1號(hào)目前距離地球已經(jīng)超過(guò)200億千米，而沿著另一條不同路徑飛行的旅行者2號(hào)距離地球也已經(jīng)超過(guò)170億千米。

2014年9月13日，NASA召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣稱(chēng)旅行者1號(hào)探測(cè)器已經(jīng)離開(kāi)太陽(yáng)系，正在飛向別的恒星，它也成為首個(gè)沖出太陽(yáng)系的人類(lèi)制造的飛行器。可是一些航天和天文專(zhuān)家認(rèn)為，旅行者1號(hào)只是進(jìn)入了星際空間，尚未飛出太陽(yáng)系。這主要是對(duì)太陽(yáng)系邊界的界定不同所致。

有天文學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)系應(yīng)以日球?qū)印?yáng)風(fēng)發(fā)生作用的最大范圍——為界。由于太陽(yáng)以220千米/秒的速度在銀河系中運(yùn)動(dòng)，所以日球?qū)硬⒎菍?duì)稱(chēng)的球形，在太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)方向上的日球?qū)幼畋。s為100個(gè)天文單位（1個(gè)天文單位約等于1.496億千米），在太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的反方向這一厚度能達(dá)到500個(gè)天文單位以上。旅行者1號(hào)正是沿著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的方向飛行，故而穿越了日球?qū)禹敚x開(kāi)了太陽(yáng)系。

更多的天文學(xué)家則主張根據(jù)太陽(yáng)的萬(wàn)有引力來(lái)定義太陽(yáng)系邊界。在太空中某一地方，太陽(yáng)引力和臨近恒星的引力會(huì)達(dá)到平衡，這里便是太陽(yáng)系的邊界。如果一個(gè)天體主要受到太陽(yáng)引力的作用，圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，那么它就是太陽(yáng)系天體。日球?qū)右约斑b遠(yuǎn)的小行星與彗星都在太陽(yáng)系范圍內(nèi)。在太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)的疆域有一個(gè)包圍著太陽(yáng)系的球體——奧爾特云團(tuán)，那里孕育著1000億顆長(zhǎng)周期彗星。奧爾特云團(tuán)一直延續(xù)到距離太陽(yáng)5萬(wàn)—15萬(wàn)個(gè)天文單位，那里是太陽(yáng)引力束縛天體的最后區(qū)域。照此定義，旅行者1號(hào)需要3萬(wàn)年左右才能飛出太陽(yáng)系。

旅行者1號(hào)所攜帶的兩枚核電池將支持它持續(xù)工作到2025年或之后，此后，人類(lèi)將失去與它的聯(lián)系。即使探測(cè)器完全靜默后，它仍然將保持目前的速度孤獨(dú)地向著宇宙深處遠(yuǎn)航，并且一去不回。無(wú)論何時(shí)飛出太陽(yáng)系，“旅行者”在人類(lèi)的航天史上已成為一座具有紀(jì)念意義的里程碑。