深度解读:“旅行者”飞出太阳系了吗
发布人:    发布时间:2013-09-25    阅读:
     新闻背景

  北京时间913日凌晨,美国航空航天局在官网宣布:美国旅行者”1号正式成为第一个进入星际空间的人造物体。旅行者项目首席科学家斯通说,“‘旅行者已经离开太阳风层,在宇宙海洋各恒星间遨游。这个飞行了36年的空间探测器目前距离太阳大约为190亿千米。新的意想不到的数据显示,旅行者”1号已于一年前进入星际空间。

  而三天前,有国内专家表示,所谓“‘旅行者’1号飞出太阳系的报道是翻译错误,它起码要上万年才能飞出太阳系。这些不同声音也使我们有必要对有关旅行者的故事做一点深入解读。

  进入星际空间

  多数人认为就是飞出太阳系

  美国航空航天局的声明,到底是不是指旅行者”1号飞出了太阳系?之所以还有不同理解,主要和人们对太阳系边界的认识有关。

  有关太阳系的边界一直存在争议,目前还没有完全统一的标准。对于太阳系边界的认识也在不断更新和改变。最早有不少天文学家认为应以冥王星轨道为界,即越过冥王星轨道就出了太阳系,它距太阳约为40天文单位(1天文单位为太阳与地球的平均距离,约1.5亿千米);

  此后又有人提出以柯伊伯彗星带为界,它距太阳约为501000天文单位;

  另一种观点是以太阳层顶为界(太阳层顶是太阳圈与星际空间之间的边界,太阳风在此与星际物质达到平衡),它距太阳约为100160天文单位;

  更有甚者提出以依奥尔特云为界,它是一个假设包围着太阳系的球体云团,布满着不少不活跃的彗星,距太阳约为10万天文单位。国内有专家提出旅行者”1号起码要上万年才能飞出太阳系,依据的就是这个标准;

  理论计算表明,太阳系的引力范围为15万至23万天文单位,如果以这个为边界,那太阳系就更大了去了。

  这些观点可谓仁者见仁,智者见智,但简言之,它们是按以下几种方式确定:一是距太阳最远的行星或矮行星的轨道为界;二是按太阳风所能到达的距离为界;三是按奥尔特云所处的位置为界;四是按太阳引力所能影响到的范围为界。

  这次,美国航空航天局的网站上虽然没有旅行者”1号飞出太阳系外的字样,但称旅行者”1号是第一个进入星际空间的人造物体,所以大多数人认为这就是飞出太阳系的意思。

  虽然旅行者”1号仍受太阳的影响,但美国权威专家认为这是人类进入星际空间的历史性飞跃,认为其意义堪比麦哲伦第一次环球航行或阿姆斯特朗首次载人登月。

  磁场方向改变

  第三条标准一直没找到

  近年,拥有大量权威天文学家和航天专家的美国航空航天局提出,确定空间探测器是在太阳系之内还是太阳系之外,主要应看它所在的区域占主导地位的粒子源自哪里。

  而最新的空间探测成果表明,太阳系界面是延伸式和不规则的,原因是太阳粒子和太阳系外的宇宙粒子是互相影响的。所以美国提出用三个指标来衡量空间探测器是否飞出太阳系。一是空间探测器周围来自太阳的带电粒子数量是否急剧下降;二是来自太阳系外的宇宙射线是否陡然增加;三是所处空间的磁场方向是否突然改变,或者星际等离子体密度是否大大提高。

  在20133月,美国两所大学发表论文称,旅行者”1号已经成为首个脱离太阳系的人造物体,但这一结论随即被美国航空航天局专家们批评为草率、不实。因为当时旅行者”1号传回的数据表明,它虽然已探测到了飞出太阳系的三个关键指标中的两个,即来自太阳的高能带电粒子数量只有以前的1%,源自太阳系外死亡恒星的低能宇宙射线比以往增加了2倍,但旅行者”1号上的磁力计未发现磁场方向的偏转,也没有获得星际等离子体密度大大提高的证据。

  不过,旅行者”1号当时传回的数据表明,它确实已抵达一个新的区域,闻到了太阳系外的味道。这片全新区域被科学家比作磁场高速公路,即太阳系内外的过渡区,在磁场高速公路内,带电粒子会急速地四处乱窜,沿着磁场高速公路快速进进出出。

  意外收获测到等离子体密度

  粒子数据比磁场标准更靠谱

  因为没有旅行者”1号达到飞出太阳系的第三条证据,所以对它是否飞出太阳系一直争论不休。然而,正在有关专家感觉山重水复疑无路之时,突然柳暗花明又一村,这是由于来自于太阳活动高峰给予了意外支持。

  20123月,太阳突然发生了一次物质喷发,这些物质经过13个月时间于20134月到达旅行者”1号当时所处的位置,并使其周围的等离子体发生了振荡。旅行者”1号上等离子体波设备探测到了这些振动,获得了这一新数据。科研人员用几个月的时间研究了这些数据,结果表明,旅行者”1号周围的星际空间等离子体密度很大,比旅行者”2号同一时间在太阳圈内探测到的等离子体密度大40倍,所以旅行者”1号现已经进入到了星际空间等离子体的怀抱。

  星际空间等离子体密度的多少是判别旅行者”1号是否飞出太阳圈内的最重要标志。等离子体广泛存在于宇宙空间中,是带电粒子最稠密和运动最缓慢的形态。因为太阳风从太阳表面向四面八方流出,如果旅行者”1号突破了太阳圈,那其周围的等离子体就会发生改变。现在,旅行者”1号已经穿透了太阳层顶,也就是太阳等离子体和星际等离子体之间一直假设存在的那道边界。

  此前,由于旅行者”1号不能对等离子体进行直接的观测,所以科学家想利用测量磁场变化来间接测量等离子体的变化。然而,旅行者”1号周围的磁场方向并没有变化发生,幸运的科学家借助太阳风暴探测了旅行者”1号周围的星际空间等离子体。

  研究人员进而推理发现,2012825恰好是旅行者”1号所处空间出现太阳粒子基本消失和银河宇宙线数量明显上升的那一天,这一天很可能就是旅行者”1号抵达星际空间的日子,当时它距离太阳大约121个天文单位。

  由于目前旅行者”1号所在区域的磁场方向没有按照预期改变。所以一些学者对它是否飞出太阳系仍存争议,但马里兰大学电子和应用物理学研究员马克·斯维斯达克认为,粒子数据更靠谱,磁场变化幅度可能不如科研人员想象中大。

  现在,虽然旅行者”1号仍能探测到部分太阳磁场和带电粒子效应,且无法确定旅行者”1号什么时候才能到达完全没有太阳影响的星际空间,但笔者认为,旅行者”1号已摆脱了太阳系的主要影响,进入临近太阳系外一片崭新的过渡区域,所以可以认定它已飞出了太阳系。这样做既有科学依据,也对世人是个巨大的鼓舞和激励。它也揭示了太阳系的大小,即其边界距太阳约121个天文单位,这相当于冥王星距太阳的3倍。

  12年后或与地球失联

  四万年后飞近另一颗恒星

  现在,旅行者”1号距离太阳大约有190亿千米(截至201399),它与太阳的距离比旅行者”2号与太阳的距离远大约34亿千米。另外,旅行者”1号的飞行方向更向北,而旅行者”2号更向南,预计4年后飞出太阳系。

  旅行者项目首席科学家斯通认为,旅行者”1号进入星际空间是个重大的里程碑,标志着星际探索新时代的到来,它表明人类探索宇宙的能力已达到了很高的水平,其技术对于未来宇宙探索具有重要的借鉴意义。

  旅行者”1号飞出太阳系后的主要任务是测量宇宙光束粒子,探测太阳风和其他恒星风之间的作用。此外,旅行者”1号还带着将地球人的信息——“地球之音传递给外星人的任务。未来摆在旅行者”1号面前的有两个问题:

  一是电力问题。旅行者”1号携带核动力电源。为节约电力,旅行者”1号在探测完土星及其卫星后已陆续关闭了一些有效载荷,2020年还将关闭磁场和粒子探测设备,只留下紫外线探测设备继续工作,直到2025年核电池耗尽。在2025年以后,将收不到旅行者”1号发回的科学数据,但其工程数据还将在之后几年中继续传回。

  二是信号的接收问题。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,但如果接收不到信号,那一切都没有意义。目前旅行者”1号发回的数据要用超过17个小时的时间才能传回地球,信号功率已衰减为10万兆分之一瓦。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”1号离开太阳系后无法近距离经过任何恒星,它将向着蛇夫座的方向飞去,到公元40272(距今38259年后)旅行者”1号将到达距离小熊座一颗模糊恒星1.7光年的地方。所以其下一个里程碑也许是飞近太阳之外的一颗恒星,不过,实现这一目标大致需要约4万年。

  不知道,它在未来的漫长飞行过程中是否能遇到外星人;如能遇到,外星人是否能读懂地球人传递给他们的信息,并与地球人进行联系。

  背景知识

  旅行者的奇妙之旅

  美国旅行者”1号是197795升空的。在此前的1977820,与其基本一样的旅行者”2号率先上天。这两个旅行者的最初目标都是探测木星、土星、天王星和海王星。因为它们的飞行轨道设计利用了这几颗外行星当时处于非平常(每177年出现1次)的排列特点,所以可使探测器采取行星借力飞行的方式从木星飞向土星,然后飞向天王星和海王星,从而实现一个探测器飞越4颗地外行星的任务目标。

  由于飞行轨道不同,速度较快的旅行者”1号后来居上,于19792月先期到达了木星上空,197911月飞到土星附近。后来,又因为旅行者”1号新增加了重点探测可能有生命的土卫6”的任务,即绕飞土卫6”,而探测土卫6”有特定的轨道要求,所以在完成土卫6”探测后,旅行者”1号没有按原定计划飞往天王星和海王星进行探测,而是直奔太阳系边缘。

  很多人都知道,旅行者”1号探测器携带了一张名为地球之音30.5厘米镀金铜制唱片。这张寿命可达10亿年的唱片,一面录制了美国总统和联合国秘书长的贺辞,55种语言的问候语(包括中国普通话、粤语、闽南语和江浙一带的吴语),还有35种地球自然界的各种声音、27首古今世界名曲(包括中国的京剧唱段和古琴演奏的《高山流水》古曲);另一面录制了包括中国长城和中国家宴在内的116幅反映地球人类文明的照片,照片反映了太阳系的方位、地球人的细胞组成、男女性别、家庭组成和风土人情等。人们期望,有朝一日,它们会被宇宙中的外星智慧生命截获。(来源:《北京日报》)