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旅行者1号品尝太阳系外味道

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去年8月25日旅行者1号探测器接收到的宇宙射线发生剧烈变化,通常存在于太阳系外层的相关种类射线大幅下跌,同时来自太阳系外部的宇宙射线则大大增加,这说明探测器已脱离太阳系。随后NASA称这一说法不准确,但不管如何,这都表明人类正迎来人造物体飞出太阳系的历史性时刻。

美国新墨西哥州立大学和马里兰大学的研究人员近日在《地球物理研究通讯》网络版发表论文说,去年8月25日,旅行者1号探测器接收到的宇宙射线发生剧烈变化,通常存在于太阳系外层的相关种类射线大幅下跌,同时来自太阳系外部的宇宙射线则大大增加,这说明旅行者1号探测器已经脱离太阳系。但随后美国航空航天局(NASA)官方撰文称这一说法不准确。但不管怎样这些争论都表明人类正迎来人造物体飞出太阳系的历史性时刻。

太阳系边界无具体位置

旅行者1号飞离只差磁场变向

关于走出某个地区的边界,我们在日常生活中也经常会经历。比如平时开车出了北京市进入河北省往往会看到一个醒目的大牌子上写着:“河北人民欢迎你”。而旅行者1号飞出了太阳系,当然不会看到一个牌子上写着:“太阳系外人民欢迎你”了。那么如何判断旅行者1号是否飞出太阳系了呢?

航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩解释说,目前根据人类科学能够达到的程度,科学家普遍认为判断空间探测器是否飞出太阳系要满足3个条件:一是接收到的太阳系外宇宙射线数量急剧增加,而源自太阳的高能粒子数量明显下降;二是太阳风大幅减速,并且能探测到星际风的行踪;三是探测到磁场方向发生变化。“目前,旅行者1号所处空间环境已经满足前两个条件,它所接收的宇宙射线比以往增加了2倍,所接收的太阳辐射的高能粒子却只有以前的1%,但探测器的磁力计还未发现磁场方向的偏转。”庞之浩说,“美国航空航天局之所以认为旅行者1号还没有飞出太阳系就是因为这个条件还没有满足。但是旅行者1号确实已经到达太阳系的边缘了。”

就像我们两个国家的国界上有界碑一样,越过界碑就算出了国。太阳系的边界为什么不能用具体的位置点来确定呢?

庞之浩说,太阳系的边界一直存在争议。人类历史上,对于太阳系边界的认识在不断更新和改变,最早人们认为越过冥王星就出了太阳系,后来认为探测出“激波”就表明出了太阳系。但现在天文学家认为太阳系不存在一刀切的界面,其界面是延伸和不规则的,原因是太阳粒子和太阳系外的宇宙粒子是互相影响的,决定其在太阳系之内还是太阳系之外,主要看占主导地位的粒子源自哪里。所以只能用以上的3个指标来衡量而不能用具点来衡量。

现在旅行者1号已经达到了距离太阳约182亿公里的位置,虽然不能称之为“进入了星际空间”,但美国航空航天局认为,旅行者1号已经抵达穿越的最后一片全新的区域。

这片全新区域被科学家比作“磁力高速公路”。太阳的磁力线与星际磁场的磁力线是连接在一起的。太阳系内部的低能带电粒子能够向外扩散,来自外部的高能粒子在此趁势而入。所以,带电粒子是急速地四处乱窜的,让旅行者1号仿佛踏上了一条“磁力高速公路”。

“尽管旅行者1号仍在太阳系的势力范围之内,但我们现在已经可以品尝一下太阳系外是什么味道了,因为带电粒子正沿着磁力高速公路快速进进出出。”旅行者号项目科学家如是说。

飞出太阳系意义很重大

携带“地球之音”寻找系外文明

尽管旅行者1号仍在太阳系内,“但它还是很有希望飞出太阳系的”。庞之浩说,目前旅行者1号使用的电源可以让它工作到2025年,而且受惠于几次的引力加速,使得旅行者1号的飞行速度比其他任何人造太空飞行器都要快,达到了约每秒17公里,这个速度甚至超过了目前正飞往冥王星的新地平线号冥王星探测器的速度,已经达到第三宇宙速度,所以它很有希望飞出太阳系,而且可能会成为第一个飞出太阳系的人造探测器。

旅行者号项目科学家爱德华·斯通认为,如果旅行者1号最终进入星际空间将是个重大的里程碑,标志着星际探索新时代的到来。庞之浩说,旅行者1号飞出太阳系,首先体现了人类探索宇宙的能力,因为这意味着航天器本身的技术已达到很高的水平,测控系统也达到了很高的水平,这些技术对于未来宇宙探索具有重要的借鉴意义。

其次,旅行者1号还带着将地球人的信息传递给外星人的任务。美国在1972年、1973年先后发射的先驱者10号、11号探测器,就携带了标志地球与人类符号的镀金铝板。和“先驱者”不同,1977年发射的旅行者1号及其兄弟旅行者2号携带的不再是简单的“地球名片”,而是一张名为“地球之音”的12英寸厚镀金铜制光盘,这张寿命可达10亿年的光盘上录制了55种语言的问候语,包括古代美索不达米亚阿卡得语等非常冷僻的语言,以及中国的方言(粤语、闽南语和客家语),还有地球自然界的各种声音、27首乐曲以及包括中国长城在内的115幅照片。人们期望,有朝一日,它们会被宇宙中的外星智慧生命截获。那时,外星人就有可能通过这些了解到地球人的存在。

此外,旅行者1号飞出太阳系后的主要任务则是测量宇宙光束粒子。

虽然肩负重任,但庞之浩指出,目前摆在旅行者1号面前的有两个问题,一个是电源的问题,旅行者1号一共带了10个有效载荷,为节约电力,它探测完土星及其卫星后就关闭了相机,2020年还将关闭更多机载设备,只留下少数科学仪器继续工作,直到电池耗尽。当2025年核电池耗尽后,旅行者1号将继续向着银河系的中心前进,只是不会再传送数据给地球。

第二个是信号的接收问题。因为信号的强度与距离的平方呈反比,距离越远信号越弱。“旅行者1号可以飞得无限远,但接收不到信号一切都没有意义。”庞之浩说,“旅行者1号已经在太空中飞行了36年,目前它发回的数据要用超过16个小时的时间才能传回地球,预计到2025年人类还能接收到它的信号,但再往后就很难说了。如果人类能在旅行者1号和地球之间建几个中继站可能就会解决这个问题,但是目前各国还没有相关的计划项目。”

“旅行者”曾立下赫赫功勋

新太阳系外探测器即将踏征程

据庞之浩介绍,旅行者1号于1977年9月5日在美国卡纳维拉尔角空军基地由大力神3号E/半人马座火箭发射升空,发射时重2016千克,到达木星时重792千克。它的主体是扁平的十面棱柱体,顶端装有一个直径约3.7米的大型高增益天线,左右两侧各伸出一根悬臂,较长的一根是磁强计支柱,短的一根是科学仪器支架。它共携带有10种科学探测仪器,包括成像系统、紫外光谱仪、红外光谱仪、磁强计、行星射电天文学实验装置、照相偏振测量仪、等离子微粒实验装置等,用于探测宇宙线、行星磁场、行星大气成分等。此外,旅行者1号还装备有3台放射性同位素热电发射器作为电源,其中两台是工作电源,一台是备用电源,每台39千克,可提供30伏、470瓦的电能。旅行者2号于1977年8月20日发射升空,比旅行者1号早了半个月,两个旅行者号探测器形制大体相同。

美国航空航天局送两个“旅行者”上天的最初目标是探测木星、土星、天王星和海王星。由于飞行轨道不同,1979年3月旅行者1号率先到达木星上空,继而于1980年11月飞越土星。旅行者2号则在1979年7月飞越木星,1981年飞越土星。

30多年时间里,这对“孪生兄弟”立下了赫赫功勋。两个旅行者探测器发现,木星的卫星“木卫一”上有火山活动。旅行者1号发现“木卫二”表面有踪横交错的纹理,以及“土卫六”拥有浓密的大气层,还发现了木卫十四、十五和十六以及土卫十三、十四和十五。旅行者2号则发现木星“大红斑”风暴是以逆时针方向转动的复杂风暴系统。它们发回了数以万计的清晰照片。正是它们对木星和土星的考察,才使得人类对这两个大行星的认识有了很大提高。

不过,在它们先后访问土星后,两兄弟就分道扬镳了。其中旅行者1号由于新增加了重点探测土卫六的任务,而探测土卫六有特定的轨道要求,所以在完成土星系探测后,旅行者1号没有像旅行者2号那样飞向天王星和海王星,而是向上飞出了太阳系诸行星的轨道平面,旅行者2号则在越过土星后,又继续访问了天王星和海王星,并发现天王星10个之前未知的天然卫星以及海王星的大黑斑。最后,它也飞出太阳系诸行星的轨道平面。不过,由于飞行轨道的不同,它多走了许多弯路。

旅行者1号毕竟是以太阳系内探测为主,即便飞出了太阳系它也无法近距离经过任何恒星——飞到最近的半人马座α星也要几万年。然而长江后浪推前浪,新的太阳系外探测器即将整装踏上征程。美国航空航天局官方网站的消息称,星际边界探测器将于今年夏天发射,这一探测器的使命就是为了探索激波边界和太阳风鞘。

该项目的领导研究人员、美国圣安东尼奥西南研究学院的大卫·麦克康马斯指出,星际边界探测器将带有高能中性原子分析器,可以捕捉太阳风鞘与星际空间的各种变化。

而美国约翰·霍普金斯大学的拉尔夫·麦克纳特正与美国喷气推进实验室一起计划研制一艘“创新星际探测器”。它有望于2014年发射,能在25年内飞到200个天文单位之处,2040年,它将一窥星际空间。

名词解释

激波边界:激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带。在这个地带,太阳风从每小时100万至240万公里的高速急剧下降,其粒子密度更大,温度也升高了。科学家认为,由于恒星间气体压力变化,这个区域经常收缩或膨胀,很难清晰确定边界。

太阳风鞘:从太阳“吹”出的太阳风在靠近太阳的地方,具有很大推力,可以轻松地吹散太阳周围的星际介质。不过在远离太阳的地方,星际介质最终会胜出,它们会使太阳风减速并最终停下来。太阳风减速并且开始和星际介质相互作用的地方被称为太阳风鞘。

天文单位:地球到太阳的平均距离为一个天文单位,一天文单位约等于1.496亿千米。(来源:中国科技网)

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