全面解析“旅行者”號(hào)探測器

在美國航空航天局確認(rèn)“旅行者1”號(hào)飛出太陽系，正式進(jìn)入星際空間后，美國加利福尼亞州理工學(xué)院教授、“旅行者”號(hào)探測項(xiàng)目科學(xué)家愛德華·斯通就“旅行者1”號(hào)飛出太陽系的相關(guān)問題做了詳細(xì)解答。

問：能告訴我們“旅行者1”號(hào)探測器進(jìn)入星際空間的準(zhǔn)確日期和時(shí)間，以及當(dāng)時(shí)與太陽的距離嗎？

答：“旅行者”號(hào)研究小組指出，“旅行者1”號(hào)進(jìn)入星際空間的時(shí)間是2012年8月25日。該結(jié)論是基于這一天觀察到的帶電粒子變化情況，以及2013年4月—5月采集的磁場數(shù)據(jù)和最新等離子體數(shù)據(jù)得出的。

最新等離子體數(shù)據(jù)使研究小組做出該探測器進(jìn)入星際空間的判斷，但時(shí)間只能精確到2012年8月。太陽日光層內(nèi)部和外部的帶電粒子在2012年8月25日出現(xiàn)永久性變化。這一變化的周期為12小時(shí)，我們無法精確該事件發(fā)生的具體時(shí)間。

當(dāng)時(shí)，“旅行者1”號(hào)距離太陽183億千米，距離地球182億千米。

問：為什么會(huì)定義為一個(gè)歷史性事件？

答：“旅行者1”號(hào)是距離地球最遙遠(yuǎn)的人造航天器，此前航天器從未進(jìn)入過星際空間。這代表著歷史上的一次里程碑事件，與麥哲倫首次環(huán)球航行、1962年“水手2”號(hào)第一次飛掠金星、阿姆斯特朗第一次登上月球等事件的重要性相差無幾。

問：“旅行者1”號(hào)進(jìn)入的是一個(gè)怎樣的太空環(huán)境？

答：“旅行者1”號(hào)進(jìn)入了一個(gè)全新的太空環(huán)境，超出了太陽釋放等離子體的范圍。等離子體廣泛存在于宇宙空間，是帶電粒子最密集、運(yùn)動(dòng)最緩慢的形態(tài)。同時(shí)，太陽等離子體從太陽表面四處流溢，如果“旅行者1”號(hào)飛越太陽系，那么周圍的等離子體也會(huì)發(fā)生變化。

問：我們?nèi)绾沃馈奥眯姓?”號(hào)處于星際空間？

答：“旅行者”號(hào)研究小組稱，從2013年4月至今“旅行者1”號(hào)探測器等離子體波設(shè)備獲得的新數(shù)據(jù)可以獲悉，該探測器于2012年8月25日進(jìn)入星際空間。大約在2012年3月，太陽發(fā)生了一次突然性物質(zhì)噴發(fā)，這些物質(zhì)歷經(jīng)13個(gè)月才抵達(dá)“旅行者1”號(hào)所處位置，周圍的等離子體發(fā)生振動(dòng)。該探測器首次探測到這些振動(dòng)，這是研究小組8年來首次探測到此類聲音，并將最近的數(shù)據(jù)反饋?？茖W(xué)家稱，“旅行者1”號(hào)在2012年8月進(jìn)入這片密集的等離子體區(qū)域。

問：這些太陽事件發(fā)生的頻率怎樣？

答：在太陽活動(dòng)高峰期，一天之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多次日冕物質(zhì)噴射，或者太陽物質(zhì)噴射，這段時(shí)間被稱為太陽活動(dòng)高峰。兩艘“旅行者”號(hào)探測器分別于1983年—1984年、1992年—1993年探測到大規(guī)模日冕物質(zhì)噴射，這些大規(guī)模日冕物質(zhì)噴射導(dǎo)致太陽圈內(nèi)產(chǎn)生可探測到的無線電波。然而，每年3月17日出現(xiàn)的太陽風(fēng)暴并不被認(rèn)為是大規(guī)模噴射，也沒有形成可探測到的無線電波。目前，“旅行者1”號(hào)剛探測到等離子體振蕩，但只有當(dāng)其處于星際等離子體區(qū)域時(shí)才能探測到。幸運(yùn)的是，3月17日的太陽風(fēng)暴恰好影響到“旅行者1”號(hào)所處的區(qū)域。

問：我們?nèi)绾沃馈奥眯姓?”號(hào)探測到的就是星際等離子體呢？

答：2013年4月，“旅行者1”號(hào)探測到的等離子體密度較大，是“旅行者2”號(hào)在同一時(shí)期在太陽圈外層探測到的等離子體密度的40倍，這種差別非常明顯。等離子體密度的變化，是在“旅 行者”號(hào)研究小組的預(yù)期之中。

問：你如何確定“旅行者”號(hào)抵達(dá)星際空間？

答：“旅行者”號(hào)研究小組預(yù)計(jì)的關(guān)鍵性變化都已出現(xiàn)，例如：高能粒子變化、等離子體密度的顯著變化等。這是我們預(yù)計(jì)在星際空間中看到的。

問：為什么“旅行者”號(hào)研究小組稱進(jìn)入星際空間是2012年8月25日，而不是2012年8月？

答：等離子波研究小組依據(jù)數(shù)據(jù)推測，“旅行者1”號(hào)在2012年8月抵達(dá)高密度等離子體區(qū)域。由于這是一個(gè)推算，因此存在著一些不確定因素。據(jù)我們所知，太陽圈內(nèi)部粒子在2012年8月25日已經(jīng)基本消失，同時(shí)星際空間粒子急劇增多。因此，“旅行者”號(hào)研究小組有足夠證據(jù)證明，2012年8月25日是人類首次進(jìn)入星際空間的時(shí)間。

問：為什么“旅行者”號(hào)研究小組沒有更早地掌握，“旅行者1”號(hào)實(shí)際上早在一年多之前就已進(jìn)入星際空間？

答：2012年8月25日獲得的數(shù)據(jù)表明，來自太陽圈內(nèi)部低能量帶電粒子差不多消失，而來自太陽圈以外的高能量粒子突然上升到最高水平，這是到達(dá)星際空間的兩個(gè)關(guān)鍵性標(biāo)志。

這些變化是“旅行者1”號(hào)經(jīng)過太陽風(fēng)層頂時(shí)出現(xiàn)的。太陽風(fēng)層頂是太陽圈與星際空間的邊界，太陽風(fēng)在該區(qū)域與星際物質(zhì)達(dá)到平衡。同時(shí)，科學(xué)家還預(yù)計(jì)，當(dāng)“旅行者1”號(hào)進(jìn)入星際空間磁場時(shí)，周圍的磁場方向會(huì)出現(xiàn)一次突然變化，然而后來對(duì)磁場觀測數(shù)據(jù)的分析顯示并未發(fā)生變化。研究小組認(rèn)為，當(dāng)時(shí)“旅行者1”號(hào)可能仍停留在太陽圈內(nèi)。因此科學(xué)家需要一種不同尋常的方法來測量這種等離子體，太陽風(fēng)暴正好提供了一次最佳機(jī)會(huì)。

問：如果此次太陽周期性噴發(fā)未發(fā)生，將會(huì)出現(xiàn)怎樣的情況呢？

答：如果未發(fā)生2012年3月的太陽物質(zhì)噴射，或者這些物質(zhì)未到達(dá)星際空間，“旅行者”號(hào)研究小組將繼續(xù)尋求其他間接方案，來了解“旅行者1”號(hào)探測器所處的等離子體太空環(huán)境。他們唯一的策略就是觀察這些物質(zhì)是否發(fā)生變化。

問：為什么科學(xué)家曾認(rèn)為磁場是星際空間的重要指標(biāo)之一，而目前卻又避而不談呢？

答：由于“旅行者1”號(hào)并未直接勘測等離子體，科學(xué)家使用磁場來代表等離子體的變化?！奥眯姓?”號(hào)的等離子勘測儀器，用于測量等離子體的密度、溫度和速度，但是該儀器早在1980年就已停止運(yùn)行。由于太陽等離子體攜帶著太陽釋放出來的磁場線，而星際等離子體具有星際空間的磁場線，因此科學(xué)家認(rèn)為，通過觀測這些磁場，我們能夠了解其等離子體環(huán)境。如果從等離子波儀器上獲得確切的等離子體數(shù)據(jù)，就能確鑿地說明等離子體發(fā)生的變化。這些變化正是研究小組極力尋找的重要信息。

問：現(xiàn)在“旅行者1”號(hào)距離地球有多遠(yuǎn)？

答：目前“旅行者1”號(hào)距離地球190億千米，這是2013年9月9日的最新觀測數(shù)據(jù)。

問：“旅行者2”號(hào)現(xiàn)狀如何？它是否接近星際空間？

答：即使“旅行者2”號(hào)首先發(fā)射，它仍不會(huì)接近星際空間。從探測數(shù)據(jù)來看，“旅行者2”號(hào)現(xiàn)在還處于太陽圈中?，F(xiàn)在我們密切關(guān)注著“旅行者2”號(hào)的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)展開研究分析。

“旅行者1”號(hào)與“旅行者2”號(hào)以不同的方向運(yùn)行，“旅行者1”號(hào)方向更朝向北，而“旅行者2”號(hào)則更朝向南。

問：這兩個(gè)探測器還能工作多長時(shí)間？

答：這兩顆個(gè)測器的磁場和粒子科學(xué)設(shè)備能正常運(yùn)行至2020年，僅有紫外線探測設(shè)備仍在反饋數(shù)據(jù)，盡管通過這些數(shù)據(jù)仍不能辨別出太陽圈和星際空間。2014年，該設(shè)備將停止工作，為其他設(shè)備節(jié)約電量。

2020年，由于電量有限，“旅行者”號(hào)的引擎將開始逐個(gè)關(guān)閉磁場和粒子設(shè)備?？茖W(xué)家預(yù)測，“旅行者”號(hào)探測器的最后一個(gè)科學(xué)設(shè)備將持續(xù)工作至2025年。

放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)每年產(chǎn)生的功率不足4瓦，因此，任務(wù)科學(xué)家必須確定何種設(shè)備是傳回太陽圈和星際空間關(guān)鍵性數(shù)據(jù)的首選設(shè)備，并將其他設(shè)備逐個(gè)關(guān)閉。當(dāng)前，發(fā)電機(jī)等其他一些航天器設(shè)備已關(guān)閉。

到2025年之后，我們就不會(huì)接收到有關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)，工程數(shù)據(jù)將在幾年后陸續(xù)傳回地面?；蛟S這兩個(gè)探測器將在2036年成為深空網(wǎng)絡(luò)的一部分，這將取決于它們還保留著多少電量，是否還能向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。

問：“旅行者1”號(hào)未來的目的地在哪里？“旅行者2”號(hào)呢？

答：“旅行者1”號(hào)以每年3.5天文單位的速度離開太陽系，飛行方向與黃道平面形成35°夾角，大體是太陽奔向點(diǎn)的方向。該探測器離開太陽系后將朝向蛇夫座方向飛行，預(yù)計(jì)在40272年，“旅行者1”號(hào)將抵達(dá)小熊座一顆模糊的恒星———AC+79 3888。

“旅行者2”號(hào)目前以每年3.1天文單位的速度離開太陽系，方向與黃道平面成48°夾角，朝向射手座方向飛行。估計(jì)4萬年之后，“旅行者2”號(hào)會(huì)到達(dá)一顆叫做“羅斯248”的恒星，它位于仙女座星系中。