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进入星际空间——“旅行者2号”的故事仍在继续

编辑/2019-02-25/ 分类:qq怎么领红包/阅读:
春节期间,我国首部科幻大片《流浪地球》赚足了眼球。对于探索广袤的宇宙空间,人类向往已久。那么,就让我们来看看现实中飞离地球最遥远的太空器——旅行者2号的故事吧! 它的故事开始于1977年8月20日,并且永远不会结束 在NASA(美国国家航空航天局)喷气 ...
  春节期间,我国首部科幻大片《流浪地球》赚足了眼球。对于探索广袤的宇宙空间,人类向往已久。那么,就让我们来看看现实中飞离地球最遥远的太空器——旅行者2号的故事吧!

  它的故事开始于1977年8月20日,并且永远不会结束

  在NASA(美国国家航空航天局)喷气动力实验室,您或许会看到一个令人匪夷所思的场景:一些掌握着最前沿航天技术的科学家们,正绞尽脑汁维护联系着一台上世纪70年代出厂的老爷机器,并试图从它传回的数据中找出一些能发表在顶级期刊上的发现。一切只因它已经飞行到了距离地球178亿公里的地方,突破了太阳风所能影响的范围——它的名字叫“旅行者2号”。

  前不久,NASA发布消息称,其发射的旅行者2号已经进入了恒星与恒星之间的那一片范围——这是一大突破,此前任何一个飞行器都没有飞出过太阳系。如今,历经漫长飞行的旅行者2号,在星际空间中看到了人类从未看到的景象——而且从某种意义上说,它的旅程永远不会结束。

  在那里,太阳风与星际物质相遇

  人类肉眼所能感受到的太阳光芒大都来自于太阳的光球层,天文学家们一般将这里视为太阳的表面。而在太阳表面之上,磁场所贮存的能量被源源不断转化到由带电离子和电子组成的等离子体中,将等离子体从数千摄氏度加热到数百万摄氏度。在高温作用下,等离子体向外膨胀,裹挟着太阳磁场向遥远的太空中奔去。除了与地球等行星相遇时发生相互作用外,在大部分空间中,这些等离子体都会以近乎不变的速度旅行,无拘无束。这种现象与我们生活中时常感受到的风类似,因此,空间物理学家们给这些等离子体取了一个形象的名字——“太阳风”。

  随着与太阳距离的增加,太阳风的速度虽然没有发生太大变化,但密度会越来越低。在冥王星轨道以外,它们的动压已严重不足,无法克服宇宙空间中广泛存在的星际物质阻碍,不得不停下脚步。但这一过程与司机遇到红灯平稳减速停车不同——以超音速奔驰的太阳风无法将前面遇到的阻碍信息“传递”给随后涌来者,从而导致与恒星物质的相遇更像是一次“车祸”,接踵而至的太阳风等离子体不断碰撞压缩前方减速的等离子体,形成了一道“终止激波”。最终,太阳风等离子体将与星际物质交会。

  在天文学中,地球与太阳之间的平均距离被定义为一个天文单位(AU,1AU约为1.5亿公里)。当旅行者2号和旅行者1号(于1977年9月5日发射)穿越终止激波时,测量到终止激波与太阳的距离分别为94AU和76AU。而太阳风所能影响的空间范围,被空间物理学家们称为“日球层”;与此同时,太阳风与星际物质相会的地方,则被称为“日球层顶”。

  在能够发射航天器之前,人类就已在恒星等天体的光谱信息中,找到了星际物质的蛛丝马迹。其中,美国物理学家尤金·帕克最先提出太阳风理论。2018年8月,NASA发射了以尤金·帕克命名的帕克太阳探测器,试图通过靠近太阳实地探测的办法,来了断关于太阳风的诸多争议。而在太阳风传播的尽头,虽然科学家们已经通过一系列科学手段对终止激波、星际物质的性质等有了一定了解,但终究仍需实地探测才能获得更深入的认识。

  2012年8月,旅行者1号在距离太阳121AU的地方完成了穿越日球层顶的壮举,进入星际空间。旅行者2号随后也于2018年11月5日成功穿过了日球层顶,并将带来比旅行者1号更让科学家们激动的探测数据。

  在那里,它们感受到了风的变化

  在旅行者1号和2号上,均装配了用来测量太阳风粒子的等离子体谱仪(PLS),当这种谱仪测到的太阳风粒子通量密度明显降低时,说明旅行者号飞船不再受到太阳风吹拂,基本可以证实它们已处于星际空间中。

  然而,旅行者1号的PLS早在1980年便已罢工。当旅行者1号在2012年进入星际空间时,科学家们颇费周折才在太阳的助攻下确认了旅行者1号的成功。2012年3月,太阳爆发了一次强烈的日冕物质抛射。13个月之后,这次爆发传播到了旅行者1号所处位置,飞船上仍能工作的等离子体波动探测仪器记录下了这次爆发带来的波动。通过波动数据,科学家们间接推测出了旅行者1号所在位置的电子密度值与星际物质的特征一致,由此才确定旅行者1号已经进入了星际空间。而当旅行者号团队对之前的数据重新分析后,发现了一些相对微弱的波动——这表明早在2012年8月,旅行者1号就已进入了星际空间。

  而旅行者2号的PLS仍在正常工作。在2018年11月5日旅行者2号传回的太阳风数据中,出现了粒子密度的突然下降——也就是说,在180亿公里之外,旅行者2号身边吹拂的太阳风突然消失了,它进入了一片全新世界。科学家们由此确认,旅行者2号已经穿过日球层顶,进入星际空间中。此外,旅行者2号探测到的银河宇宙线通量的增加也进一步证实:它已处于星际空间。银河宇宙线是来自于太阳系以外的高能辐射。由于日球层的屏蔽作用,仅有一部分银河宇宙线可以传播到日球层之内,并受到太阳活动调节:当太阳活动较强时,就能更多地将宇宙线屏蔽在日球层以外;而在日球层之外,宇宙线的通量就会变得相对更强。

  在那里,它们将长久注视着我们

  在旅行者计划中,旅行者2号原本承担着为旅行者1号充当备胎的任务:一旦旅行者1号未能成功探测土星和木星,旅行者2号将接手未完成的任务,放弃之后造访天王星和海王星的安排。令人欣慰的是,在40多年的慢慢长路中,两艘探测器均基本完成了任务——对土星、木星、天王星、海王星及其卫星系统开展了细致观测。透过它们传回的图片,我们不但获得了更多科学知识,更一次次被太空的魅力所折服。而在两艘飞船从太阳黄道面以北和以南相继进入星际介质后,当初的“双保险”策略最终得到了回报:两艘飞船上虽均有一些仪器无法正常工作,但两者的探测数据相互补充后,仍能得到全部物理参数的探测数据,从而使人类首次有机会实地探寻日球层及星际介质的秘密。

  然而,对两艘飞船是否已经飞出了太阳系,不同学者仍持不同看法。目前主流的观点认为,太阳系的边界位于距离太阳约2光年(10万AU)的奥尔特云。虽然没有直接的探测证据,但间或造访太阳系内部的长周期彗星使科学家们推断,奥尔特云是这些彗星的发源地。由于奥尔特云仍受到太阳引力作用,这里被一些学者当作太阳系引力和结构上的边缘。对此,NASA也谨慎地表示:“太阳系的边界被认为处于奥尔特云的外缘。”然而,也有学者认为,从另一个角度讲,太阳的光和引力理论上可以延伸到无穷远处,但太阳系显然不能包罗全部的宇宙,因此日球层顶应标志着太阳风影响的终结——即跨入星际物质后,就已经办妥了从太阳系的“出境”手续。其实,由于太阳系是一个人为划定的范围,它的边界不会改变我们对宇宙中客观规律的看法以及天体们的运行。因此,两种说法也无所谓谁对谁错。

  与用了太久的手机电池会供电不足一样,为旅行者号供电的同位素热电池的输出功率正以每年4瓦的速度衰减。预计到2020年,飞船将不得不关闭所有科学探测仪器,以仅有的供电维持飞船与地球的通信。2025年左右,飞船的通信系统也将因供电不足停止工作。届时,我们将再也听不到这两个离家将近50年的孩子在星际空间中向地球母亲发出的呼喊。

  然而,它们的故事并没有就此结束,两艘旅行者号飞船还有另一个使命要完成——飞船上安装了介绍地球的金唱盘,希望有朝一日能有地外文明发现飞船并解码金唱盘。在金唱盘中,我们向宇宙其他文明发出了诚挚邀请,其中中文普通话的语音内容为:“各位都好吧?我们都很想念你们,有空请到这来玩。”此外,金唱盘还展示了我们在科学、建筑、航天、医学、艺术、交通等各领域取得的成就;并录下了恋人相爱时的脑电波,试图让其他文明了解“爱”这种连接人与人心灵的感情;但并没有记录下我们世界的另一面——战争、侵略、欺骗,等等。

  有朝一日,当两艘旅行者号作为人类文明的使者,将金唱盘送到另一个文明手中时,我们是否已经消除了地球上不那么美好的部分,成为宇宙中美丽和谐的家园——在远离地球的星际空间,旅行者号将在时间长河中注视着我们。

  [本文来源:经济日报 作者:李会超 单位:哈尔滨工业大学(深圳)。本文授权转载自科学大院,公众号:kexuedayuan,略作删改,特此鸣谢。]

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