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“旅行者”號即將衝出太陽系 將解三大謎團
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作者:
秋田禾夫
時間:
2008-7-16 07:09
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“旅行者”號即將衝出太陽系 將解三大謎團
美國宇航局深太空觀測網每天都將電波天線指向蛇夫座方向一單調空無的天區。它們正接收一股微弱訊號。它是正在太陽係邊境的旅行者號的反饋。
旅行者號正在進入一個全新的領域———太陽風鞘及星際空間邊界。最近，《自然》雜志上又連登了6篇相關論文。密集探討兩顆旅行者探測器發回的信息。科學家們希望，當旅行者號最終衝出太陽係，站在“山外”重新審視一切，就能徹底弄清我們所在的這個神秘空間的“廬山真面目”。
謎題1 太陽係究竟有多大？
●現在我們知道，太陽係的邊界至少在距我們140億千米的位置以外。
1977年9月，一顆重722千克的宇宙飛船“旅行者”1 號(Voyager1)帶著神聖的使命在美國升空。這個使命就是觸摸太陽係的邊界。由于旅行者1號在發射前出現故障，它的孿生兄弟，旅行者2號先它幾天，于1977年8月20日踏上了徵途。
2004年末，“旅行者1號”終于完成了一項巨大的跨越。經過漫長的旅行，它飛出了太陽係的激波邊界。這是一片只在假設中出現，卻從未被觀測過的領域。
事實上，早有科學家發現了旅行者“邁出這一步”的苗頭。2003年11月，美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室的科學家曾發現旅行者1號觀測到一些前所未有的跡象。科學家因此判斷它已進入激波邊界。不過，由于並沒有人知道激波邊界的確切標志，這一觀點引起了爭議。部分科學家認為它只是接近了這一區域而已。
太陽係邊緣被認為是太陽風與銀河係其他恒星之間的稀薄氣體碰撞的地方。太陽風其實是具有帶電粒子的稀薄風，從太陽向各個方向以每小時160萬-320萬千米的速度被吹出去。位于日光層和星際空間的這一區域被稱為太陽風鞘(heliosheath)。“太陽風鞘就是太陽風的最末端。”北京天文館副研究員李良指出。它位于以超音速衝刷著所有係內行星的太陽風所能到達的區域之外，在這裏太陽風已經衰減為亞音速。天文學家認為，太陽風鞘以及它的內部邊界都能夠保護太陽係免受銀河係宇宙射線的侵襲，同時自己形成能夠到達地球的宇宙線。而這一區域間發出的一種突發的衝擊波，叫激波邊界(termination shock)。激波邊界是太陽風在恒星間氣體壓力下減速的地帶。在這個地帶，日光層讓位于星際空間。太陽風猛踩了一腳剎車，從每小時100萬—240萬千米的高速狀態急劇減慢。與此同時，其離子密度更大、溫度也升高了。科學家認為，由于恒星間氣體壓力變化，整個區域經常收縮或膨脹，由此很難清晰確定邊界。
2004年12月，“旅行者”1號飛船在距離地球94個天文單位(即太陽和地球之間的平均距離)，也就是離我們140億千米處持續觀測到由太陽風的帶電粒子牽引的微弱磁場的強度增強了3倍。科學家由此判斷，旅行者1號飛出了激波邊界。這個判斷是分析兩個特徵而得到的：第一，飛船探測到周圍磁場強度急劇增加，到現在磁場都維持在高強度上，這說明太陽風粒子的減速過程已經完成；第二，飛船探測到周圍有等離子體波浪，這是激波邊界內外太陽風速不同、使帶電粒子來回震蕩而造成的。
這樣的判斷總算是讓科學研究人員知道了太陽風鞘的位置———事實上，長期以來，研究人員更熱衷于猜測太陽風鞘到底在哪裏，而不是它到底有什麼作用。
2005年5月，NASA宣布，旅行者1號已經飛抵了太陽係的最外端地域———太陽風鞘，旅行者號也成了第一個進入太陽係外空間的人造航天器。“旅行者號是太空探測器中的傳奇者，它帶我們進入到此前從未有的新天地。”NASA科學項目理事會(Science Mission Directorate)副行政官斯特(Alan Stern)指出。
謎題2 太陽係是球形的嗎？
●現在我們知道，太陽係不是球形，而是一個不對稱的、凹陷的結構。
旅行者2號也在2007年8月30日至9月1日到達了激波邊界。盡管旅行者2號是第二個到達激波邊界的航天器，但研究人員卻對其賦予了厚望。
旅行者2號本身攜帶了儀器，能夠測量出太陽風的速度、密度和問題。同時，旅行者2號在數日內5次通過這一地帶。研究人員通過這幾次數據的研究，發現了太陽係的另一秘密。
太陽係的主要行星大體處在同一平面上，所以，也許很多人認為太陽係是扁平的。不過，太陽係的形狀和太陽有關，因此它更可能是個不太嚴格的球形。旅行者2號發回的數據表明，太陽係不是球形，而是一個不對稱的、凹陷的結構，或許有點像雞蛋。
旅行者2號穿越激波邊界的位置，距離旅行者1號飛船的穿越位置大約160億千米。理查德遜(John Richardson)指出，旅行者2號傳回來的數據表明，其所到達的激波邊界比旅行者1號更接近于太陽，兩者的差距約為10個天文單位。
研究人員計算出，穿越激波邊界時，旅行者1號與2號之間的差異。他們據此推測認為，太陽係是不對稱的，可能是東西或者南北的不對稱。
對此，北京天文館館長朱進指出，關于太陽係的不對稱此前也有過猜測，而旅行者號則讓猜測得到證實，“細化了我們對太陽係的認識，但至于有什麼影響則不好說。”
謎題3 太陽風鞘究竟是什麼樣？
●現在我們知道，激波像波浪一樣在不斷來回地拍打著激波邊界。
旅行者1號飛船只穿越過激波邊界一次，而旅行者2號飛船穿越激波邊界多次。研究人員指出，這是因為激波像波浪一樣在不斷來回地拍打這一邊界。太陽風鞘這片人類此前未可及之地，正在逐步地一一解密。
激波邊界是太陽風在恒星間氣體壓力下減速的地帶。在這裏，太陽風速度急劇下降，離子密度變大、溫度也升高了，形成一個濃密、熾熱的區域。然而，旅行者2號飛船發現激波邊界的溫度比科學家預期的要低很多。
研究人員對此的解釋是，能量傳輸到了宇宙射線粒子中，使激波加快速度。這就像宇宙乒乓球運動似的，其中的一些離子被屏障反射過來，加入激波中。“這些離子從太陽風中獲得了巨大的能量，之後飛奔到了太空之外。”加裏弗尼亞技術學院的斯通(Edward Stone)指出。
研究人員還發現，異常宇宙線(ACRs)在太陽風鞘的不同區域也不同。研究人員曾預計，在穿越激波邊界時，異常宇宙線強度會增加。但旅行者1號傳回的數據表明，這一預計出錯了。
目前，旅行者1號和2號都在太陽風鞘區域內，研究人員希望在進一步數據的獲得下，研究出異常宇宙射線和宇宙射線的強度變化。“現在有說法認為，旅行者號已經進入太陽風的最末端，進入了星際空間。”李良指出，隨著旅行者號不斷向太陽係外邁進，更多的關于太陽風鞘及星際空間的細節會被揭露。
- 新知補丁
如何追蹤旅行者飛行器？
旅行者號飛行器早就消失在人類視野中，當然所有的宇宙探測器都如此。不過，由于旅行者號已經飛抵太陽風鞘，距離地球已近100個天文單位。如此遙遠，飛船信號抵達地球時功率已非常小。有資料表明，旅行者1號發回來的信號大約是一枚普通電子表電池功率的200億分之一。
功率如此小的信號，地面如何追蹤？李良指出，接收這類信號的必須是全自動跟蹤。目前直徑305米射電望遠鏡阿雷西沃望遠鏡是最大的、最敏感的，“然而那是固定的”。
事實上，目前追蹤旅行者號信號的是個大的地面觀測網絡。“首先你必須要先定好大概的天體坐標，然後建立龐大的地面觀測網絡，進行全自動跟蹤。”李良指出。
進而，當地球上的天線能夠接收到飛船發回到地球的信號後，還必須通過一定的技術處理方法檢測出這些信號，類似放大這些信號。
“太陽係外探測器”陸續飛離，逐一破解係外世界之謎
作為人類已經發射的最重要的兩枚係外探測器，旅行者號探測器已經觸及了太陽係的邊界，一個原本只存在于天文學家理論推想之中，卻從未被真正發現過的地區。科學家預計，它們很快就將離開太陽係，繼續改寫人類行為能達到最遠位置的紀錄。
然而旅行者號並非人類所進行的太陽係外探索工作的全部。在它們之前，先鋒10號和先鋒11號已經踏上了沒有終點的徵途。與此同時，新一代係外探測器也正在緊鑼密鼓地研制之中。除了它們，科學家還利用各種形式的望遠鏡，窺探著宇宙的秘密。
陸續觸摸太陽係邊界
中國空間技術設計研究院研究員龐之浩將旅行者1號、2號統稱為“走馬觀花似的航天器”，與之同類群的還有先鋒10號、11號。這四個探測器都負載著衝出太陽係的任務。
而之所以將這類航天器命名為“走馬觀花似的航天器”，是因為它們都不是專用探測器。“旅行者2號先後探測了土星、木星、冥王星後，才去探測太陽係外。”龐之浩指出，旅行者號在走馬觀花後，又將探測太陽係外世界。
兩枚旅行者號飛船形制大體相同，重約825千克，是先驅者號的3倍多。它配有直徑3.66米的地球拋物線天線，還攜帶著用于探測宇宙線、行星磁場、行星大氣成分等11種探測器。此外，旅行者還裝備了放射性同位素熱電機組，這是供其在遠離太陽的黑暗、寒冷空間中所用的。
這兩枚宇宙探測器要做的事實在太多，除了沿途不斷地給太陽係拍照外，它們還被寄予厚望，希望能在飛行過程中碰到外星智慧生命。事實上，在發射旅行者號之前，NASA還曾發射過先鋒者10號和11號兩枚宇宙探測器。它們的最終目標也是飛出太陽係。為此，這四種探測器都攜帶著“地球名片”，以期在遭遇外星智慧生命之後，能作一引見。
和“先驅者”係列不同，旅行者係列攜帶的不再是簡單的“地球名片”，而是一整套記錄地球上各種典型代表意義的聲音和圖片，也就是被稱為“地球之音的”唱片。人們期望，有朝一日，它們會被宇宙中的外星智慧生命截獲。那時，外星的朋友們就有可能通過這些了解到地球人的存在。
由于飛行軌道不同，1979年3月旅行者2號率先到達木星上空，繼而于1980年11月飛躍土星。旅行者1號則在1979年7月飛躍木星，1981年飛躍土星。
31年時間裏，這對“孿生兄弟”立下了赫赫功勳。正是它們對木星和土星的考察，才使得人們對這兩個大行星的認識有了很大提高。它們還發回了數以萬計的清晰照片。
不過，在它們先後訪問土星後，兩兄弟就分道揚鑣了。其中旅行者1號向上飛出了太陽係諸行星的軌道平面，目前它已經成為離地球最遠的人造天體。旅行者2號則在越過土星後，又繼續訪問了天王星和海王星。最後，它也飛出太陽係諸行星的軌道平面。不過，由于飛行軌道的不同，它多走了許多彎路。
當然，兩枚旅行者號的終極使命就是衝出太陽邊界，達到更遠的距離。而發射于1972年的“先鋒10號”，如今也已飛出太陽係，但在2003年，科學家揮手與之告別時，NASA噴氣推進實驗室發現，它竟已偏離預定航向40萬千米。而發射于次年的“先鋒11號”也是“謬以千裏”。科學家們相信，如果這個偏離問題不是出在飛船本身或跟蹤站身上，而且此後別的探測器依然故我，繼續偏離，那我們就要下定決心，大力批判廣義相對論的思想根源了。有趣的是，噴氣推進實驗室的約翰·安德森之所以在上世紀70年代發現“先鋒”探測器的異常，也是為了尋找太陽係外層的未知行星。他們發現了一個比地球引力弱100億倍的力。奇怪的是，這個力指向太陽係內層而不是外層，似乎是太陽的惡作劇。
或許能夠拯救地球
著名的“先鋒號金屬板”，上面刻有一個氫分子、人類的外形以及我們在太陽係中的位置。科學家們希望這能向外星智慧生物描述我們的存在。
其實，理由無怪乎兩條：為了地球生命的未來；為了與外星生命相聯係。
整個太陽係正在銀河係內運動。過去300萬年，太陽已經在銀河係內走過一個被稱為“泡泡”的空間。
太陽係能在撲朔迷離中安然行走，靠的是稱為“太陽風鞘”的巨大磁場削弱宇宙射線。宇宙射線與氣候有關。進化生物學也發現，到達地球的宇宙射線強度與基因突變率等生命演化有密切關係。“研究人員正希望通過繼續觀測旅行者號所傳回的數據，獲悉異常宇宙射線和宇宙射線的強度變化。
此前，對格陵蘭島和南極冰核的研究發現，14萬年前宇宙射線強度比現在高大約20%-40%。2006年，美國科羅拉多大學的帕夫洛夫計算出：當太陽係穿過極密的星際雲時，到達地球的宇宙射線劇增，能將“太陽風鞘”壓縮到幾乎只有地球繞日軌道的大小。這樣一來，全球臭氧層將頓失四成。
當然，第二個理由也很重要。宇宙形成之初是什麼？宇宙中有生命的存在？人類對太空探索的視界能達到多遠？這些都是拋給我們的問題。為了問題的解答，天文研究人員在射電望遠鏡、光學望遠鏡和空間探測器上三管齊下。
SKA全稱為“1平方千米陣射電望遠鏡”，試圖建造出世界上最強大的射電望遠鏡陣列。它將由上百架綿延3000千米的射電望遠鏡組成，能使我們探索太空的視界擴大無數倍。
在光學望遠鏡方面，則有LAMOST，即大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡。該項目預計在今年8月竣工，是目前國際上最具威力的光譜巡天望遠鏡。
當然，空間探測器也絲毫不敢松懈自己。先鋒10號、11號、旅行者號就是對此的一個嘗試。
新係外探測器，準備！
“太陽風鞘”之外就是星際空間。旅行者1號將從“太陽風鞘”最薄的地方飛出去。這樣才算真正飛出了太陽係。目前，NASA預計，旅行者這兩艘飛船將至少運行到2020年。屆時，旅行者1號飛船將能夠悄悄地飛臨147個天文單位外的宇宙空間。
哪裏才是太陽係的盡頭？研究人員推測，125個天文單位是最佳估算距離。旅行者1號飛船大約在2014年到達那裏。
旅行者號畢竟是以太陽係內探測為主，它們無法近距離經過任何恒星———去最近的達半人馬座α星也需要幾萬年。
不過，新的太陽係外探測器該上路了。NASA官方網站的消息說，星際邊界探測器(IBEX)將于今年夏天發射，這一探測器的使命就是為了探索激波邊界和太陽風鞘。
美國聖安東尼奧西南研究學院麥克康馬斯是該項目的領導研究人員。他指出，IBEX 將帶有高能中性原子分析器(ENAs)，可以捕捉太陽風鞘與星際空間的各種變化。
而美國約翰·霍普金斯大學的拉爾夫·麥克納特正與噴氣推進實驗室一起計劃一艘“創新星際探測器”(IIE)。它有望于2014年發射。它能在25年內飛到200個天文單位之處。估計太陽作用的邊界在125個天文單位之外。2040年，它將一窺星際空間。
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