太阳系中的“旅行者”

尹怀勤

美国国家航空航天局（NASA）2017年12月2日报道说，旅行者1号探测器上搭载的一组推进器，在“沉睡”了37年后，于太空深处成功完成点火测试。这则消息把这个距离地球最远的人造物体重新拉回到我们眼前。旅行者1号是迄今飞得最远、速度最快的航天器，也是恒星际空间唯一的人造物体。虽然它飞出太阳系至少还要3万年的时间，但它所传回的每个信息，无不刷新人类探测器所能抵达的最遥远的边界。

“旅行者”的结构和性能

为了探测太阳系的行星和观测太阳以及更远的深空， NASA于1972年3月2日和1973年4月6日先后发射先驱者10号和11号探测器，又于1977年8月20日和9月5日相继发射旅行者2号和1号探测器。它们都向地球发回了大量宝贵的数据资料，达到了预期目的，其中尤以旅行者1号飞得最快，目前已经飞进恒星际空间。

旅行者1号和2号是一对孪生兄弟，它们的结构基本相同，头部是一个扁平的十面棱柱体，中央装有燃料贮箱，在箱体上侧旁边不同方向装有16台小型液体火箭发动机，以供探测器改变飞行方向和调整姿态使用。棱柱体周围安置着电子设备。其头上戴有一顶“大草帽”，乃是直径为3.7米的抛物面天线即定向天线。向左右伸开的两个手臂，一个是磁强计支杆，另一个是光谱仪支架，其中除红外光谱仪外，还有紫外光谱仪、宇宙射线探测计、等离子体探测器、广角摄像机、窄角摄像机等。每艘旅行者号探测器都有三台放射性同位素热电机，利用钚238衰变时产生的热能供电，每88年只消耗一半原料。

旅行者1号的两台摄像机的图像分辨率比先驱者号提高了1000倍；有多种光学仪器用来测量行星及其卫星的反射和辐射特性，并分析它们的构成和成分；有宇宙射线探测计、等离子体探测器和磁强计等星际空间环境探测设备安装在仪器支架上，用以测量宇宙线、带电粒子和太阳风的边界，研究太阳与行星间的关系；还有行星射电天文接收机及其鞭状天线，用来了解行星和卫星的大气层及电离层的特性。它们获得的数据资料都用无线电信号发回地球。幸运的是，旅行者号的发射任务刚巧碰上了176年一遇的八大行星处于一线的几何排列，可以运用引力弹弓效应予以加速。探测器只需要少量燃料以供航道修正，其余时间可以借助各个行星的引力提速，两艘探测器只需要用上12年的时间就能造访太阳系最遥远的4颗行星，而非一般的30年时间。这两艘遥远探测器发出的信号被NASA的深空网天线接收，那是3台布置在世界不同地点的巨型天线，专门用于接收遥远宇宙中探测器发回的微弱信号。

“旅行者”的发现

旅行者1号是第一个提供了木星、土星以及其卫星详细资料的探测器。旅行者1号在1979年3月5日与木星最为接近，在此前后得以对木星及其卫星、木星磁场以及辐射环境做深入了解。它发现，大红斑是木星大气中的一种大旋涡，犹如地球上的龙卷风。木卫一上有火山活动，活跃程度至少是地球的10倍。个儿小于月球的木卫二像个冰与奶油巧克力混合的大球体，表面上分布着弯曲条纹。科学家分析木卫二的照片和探测资料后提出，該卫星表面覆盖着5000米厚的冰层，冰层下面可能有一个深达50千米的海洋。这为后来的伽利略号多次探测木卫二提供了理论依据和技术借鉴，并为科学家提出木卫二生命假说奠定了基础。

旅行者1号于1980年11月12日最接近土星。它不仅探测到土星环的复杂结构，还对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层，地面控制人员决定让旅行者1号驶近土卫六进行研究，而造访天王星和海王星的任务交给旅行者2号去完成。这次靠近土卫六的决定使旅行者1号受到了额外的引力影响，最终离开了地球公转轨道面而向深空飞行，其任务已变为探测太阳风顶，以及对太阳风粒子进行测量。

1990年2月14日，旅行者1号调转镜头，对准它出发的方向，拍摄了太阳系的“全家福”。图像中的地球只不过是一颗几乎看不到的暗淡蓝点—这便是人类摇篮在宇宙中真实的地位。木星、土星的表面重力分别是地球表面重力的2.68、1.16倍，加上其卫星的作用，故使旅行者1号的飞行速度达到了66.27千米/秒。

“旅行者”飞出太阳系了吗

旅行者1号目前距离地球已经超过200亿千米，而沿着另一条不同路径飞行的旅行者2号距离地球也已经超过170亿千米。

2014年9月13日，NASA召开新闻发布会，宣称旅行者1号探测器已经离开太阳系，正在飞向别的恒星，它也成为首个冲出太阳系的人类制造的飞行器。可是一些航天和天文专家认为，旅行者1号只是进入了星际空间，尚未飞出太阳系。这主要是对太阳系边界的界定不同所致。

有天文学家认为，太阳系应以日球层—太阳风发生作用的最大范围—为界。由于太阳以220千米/秒的速度在银河系中运动，所以日球层并非对称的球形，在太阳运动方向上的日球层最薄，约为100个天文单位（1个天文单位约等于1.496亿千米），在太阳运动的反方向这一厚度能达到500个天文单位以上。旅行者1号正是沿着太阳运动的方向飞行，故而穿越了日球层顶，离开了太阳系。

更多的天文学家则主张根据太阳的万有引力来定义太阳系边界。在太空中某一地方，太阳引力和临近恒星的引力会达到平衡，这里便是太阳系的边界。如果一个天体主要受到太阳引力的作用，围绕太阳运动，那么它就是太阳系天体。日球层以及遥远的小行星与彗星都在太阳系范围内。在太阳系遥远的疆域有一个包围着太阳系的球体—奥尔特云团，那里孕育着1000亿颗长周期彗星。奥尔特云团一直延续到距离太阳5万～15万个天文单位，那里是太阳引力束缚天体的最后区域。照此定义，旅行者1号需要3万年左右才能飞出太阳系。

旅行者1号所携带的两枚核电池将支持它持续工作到2025年或之后，此后，人类将失去与它的联系。即使探测器完全静默后，它仍然将保持目前的速度孤独地向着宇宙深处远航，并且一去不回。无论何时飞出太阳系，“旅行者”在人类的航天史上已成为一座具有纪念意义的里程碑。endprint