" 旅行者 "1、2 號探測器已經在太陽系中飛行了 40 多年。如今，它們已經飛出了日球層，成為僅有的兩個進入星際空間的人造物體。隨著電能衰竭，研究人員不得不逐步關閉 " 旅行者 " 號的儀器，并計劃在本世紀 30 年代結束這項任務。從那時起，它們將與地球失去聯系，開啟無盡的星際流浪。

撰文｜蒂姆 · 福爾杰（Tim Folger）

翻譯｜丁一

如果星星沒有排列成行，有史以來最卓越的航天器就永遠不會起飛。這里所提到的星星實際上都是行星——太陽系中最大的四顆行星（木星、土星、天王星、海王星）。大約 60 年前，這四顆行星慢慢形成了特殊的排列，而上一次出現這樣的情況還是在 19 世紀初，托馬斯 · 杰斐遜（Thomas Jefferson）擔任美國總統的時候。在很長一段時間里，這種罕見的行星排列幾乎沒有引起關注。第一個注意到這個現象的人是一名航空學博士生，名叫加里 · 弗蘭德羅（Gary Flandro），那時他正就讀于美國加州理工學院。

1965 年，太空探索的時代剛剛開始——蘇聯在 8 年前發射了第一顆人造衛星 " 斯普特尼克 "1 號（Sputnik 1）。當時弗蘭德羅正在加利福尼亞州美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）兼職，他的任務是找到最有效的方法，將太空探測器送往木星，可能的話，甚至是送往土星、天王星或海王星。他用 20 世紀工程師最喜歡的精密工具——鉛筆——繪制了這幾顆巨行星的運動軌跡，并發現了一件奇妙的事情：在 20 世紀 70 年代末 80 年代初，這四顆行星將會像珍珠一樣串成一條天體項鏈，與地球一起形成一條長弧線。

這個巧合意味著，航天器在經過每顆巨行星時，都能從巨行星的引力中獲得提速。這就好比牽引探測器的無形繩索在最后一秒斷裂了，將探測器甩向前方。經弗蘭德羅計算，這種所謂的重復引力助推，可以把探測器在地球和海王星之間的飛行時間從 30 年縮短至 12 年。要實現這一點，必須抓住契機，因為這種行星聯珠現象每 176 年才發生一次。為了在 " 四星聯珠 " 發生時到達目標行星，科學家必須在 20 世紀 70 年代中期發射一個探測器。

" 旅行者 " 號的旅程

顯然，NASA 想要利用這個百年難遇的機會，因此他們設計了兩個航天器—— " 旅行者 "1 號（Voyager 1）和 " 旅行者 "2 號（Voyager2）。這兩個航天器一模一樣，在 1977 年夏天的 15 天內相繼發射。" 旅行者 " 號在太空中已經飛行了近 45 年，目前仍在運行，每天從比太陽系最遙遠的行星還遠的地方向地球傳回數據。它們比歷史上任何其他航天器都飛得更遠，工作時間更長。而且，根據科學家對日球范圍的理解，" 旅行者 " 號已經進入了銀河系的星際空間。它們是首批到達那里的人造物體，并將在未來的幾十年內繼續保持此殊榮。最初，" 旅行者 " 號任務計劃只持續 4 年，就這點而言，現有的紀錄還算不錯。

在 40 年前的早期探索中，" 旅行者 " 號讓研究人員第一次近距離看到了木星和土星的衛星，這些衛星上有活火山和冰原裂縫，這讓他們驚訝不已。天文學家原本以為這些衛星會像月球一樣毫無生氣，表面遍布隕擊坑。1986 年，" 旅行者 "2 號成為第一個飛掠天王星的航天器；3 年后，它又飛過了海王星。到目前為止，它是唯一一個完成這種旅行的航天器。現在，作為星際探測器先鋒的 " 旅行者 " 號已距離地球超過 193 億千米，它們在未知星際空間中獲得的一系列意外發現讓理論天文學家既興奮又困惑。

" 旅行者 "2 號在 NASA 噴氣推進實驗室進行測試。

然而，" 旅行者 " 號的精彩旅程終將結束。從今年開始，NASA 計劃關閉 " 旅行者 " 號的一些系統，以維持剩余的能量儲備，將它們那史無前例的旅程延長至 2030 年左右。對于那些從一開始就為 " 旅行者 " 號項目工作的科學家來說，這是一個苦樂參半的時刻。這項遠遠超過他們預期的項目現在就要結束了。

" 我們為這個項目工作了 44 年半，相當于將航天器的保修期延長到了原計劃的 10 倍。" 美國約翰 · 霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的物理學家拉爾夫 · 麥克納特（RalphMcNutt）說。他職業生涯的大部分時間都在研究 " 旅行者 " 號。

飛向星際空間

現在，兩個 " 旅行者 " 號探測器離地球非常遙遠，以光速傳播的單向無線電信號需要近 22 個小時才能追上 " 旅行者 "1 號，18 多個小時才能追上 " 旅行者 "2 號。每天它們都會再飛行 3~4 光秒的距離。" 旅行者 " 號與地球的唯一聯系是 NASA 的深空探測網（DeepSpace Network），這是由分布在全球的三個跟蹤綜合體構成的網絡，能夠在地球旋轉時與航天器進行不間斷的通信。隨著 " 旅行者 " 號在空間和時間上離我們越來越遠，它們的信號也越來越微弱。澳大利亞堪培拉的深空探測網外聯和通訊經理格倫 · 內格爾（GlenNagle）說：" 地球是一個嘈雜的地方，收音機、電視、手機 …… 都會產生噪音。因此，我們越來越難接收到來自‘旅行者’號的微弱信號了。"

1993 年，格尼特對星際空間邊界的距離，即所謂的日球層頂（heliopause）的距離，進行了計算，并將日球層頂的距離設定為 116~177 個天文單位（AU，1AU 是指地球到太陽的平均距離，相當于 1.5 億千米），大約增加到原來的 25 倍。他說，這些估算并沒有得到同行的認同。截至 1993 年，" 旅行者 "1 號的飛行里程已達到 50AU。" 如果日球層頂距離我們 120AU，這意味著‘旅行者’號還要再飛行 70AU。" 如果格尼特的估算正確，那么以 " 旅行者 " 號大約 3.5AU/ 年的前進速度，至少 20 年內，" 旅行者 " 號仍然不會離開日球層。

在 1977 年發射后的 45 年里，" 旅行者 " 號前往了人造探測器從未到過的宇宙空間。

這個預測帶來了令人擔憂的問題：美國國會能否長期支持 " 旅行者 " 號任務？對這項任務的資助已得到延長，科學家期望任務結束在約 50AU 處，即 " 旅行者 " 號穿越日球層頂的時候。但是，" 旅行者 " 號早已飛過了 50AU 的里程碑，卻沒有發現任何預期中的星際空間邊界。天文學家曾設想 " 旅行者 " 號會探測到突然增強的銀河系宇宙線——高能粒子像彈片一樣，以接近光速的速度從超新星或其它深空大爆炸過程中噴射出來。由日球層形成的巨大磁繭（magneticcocoon）會使大部分低能宇宙線在到達太陽系內部之前發生偏轉。斯通說：" 太陽磁繭為我們屏蔽了至少 75% 的外部宇宙線。"

" 旅行者 " 號的地面團隊也在等待探測器記錄到主導磁場轉變的跡象。科學家認為星際磁場是由附近的恒星和巨大的電離氣體云產生的，它很可能與日球層的磁場方向不同。但是 " 旅行者 " 號至今還沒有檢測到這種變化。

在 2018 年 11 月，當 " 旅行者 "2 號到達星際邊界時，它也未能探測到磁場的變化。而且這臺航天器又提出了另一個難題：它在距離地球 120AU 的地方遇到了日球層頂——與 6 年前 " 旅行者 "1 號所記錄的日球層頂距離相同。這一結果與任何理論模型的預測都不相符，所有理論模型都認為日球層頂應該與太陽的 11 年周期同步膨脹或收縮。在這一期間，太陽風起伏不定。當 " 旅行者 "2 號到達時，太陽風正處于頂峰時期，如果理論模型是正確的，那么太陽風應該將日球層頂向外推到比 120AU 更遠的地方。克里米吉斯說：" 這是所有理論物理學家都沒有想到的，我認為從‘旅行者’號的發現來看，理論模型仍存在不足。"

" 旅行者 " 號還能運行多久？

有些東西的使用壽命比不上它們的硬件壽命，最后變成了收藏品——答錄機、錄像機和硬幣等。" 旅行者 " 號則不然，它們使用 50 年前的技術，完成了遠遠超過設計壽命的任務。" ‘旅行者’號儀器上的軟件數量少得可憐，當時根本不存在計算機微處理器！" 克里米吉斯說。" 旅行者 " 號的設計者不可能用成千上萬行的代碼來幫助操作航天器。克里米吉斯說：" 總的來說，我認為‘旅行者’號任務之所以能持續這么久，是因為幾乎所有的東西都是由硬件連接的。如今的工程師不知道如何做到這一點。我不知道現在是否有可能建造出像‘旅行者’號一樣簡潔的航天器。‘旅行者’號大概會是最后一個。"

與這些開拓性的探測器說再見并不容易。" 我們都不想看到任務結束，" 卡明斯說，" 但是‘旅行者’號探測器已經取得了相當驚人的成就。我們本不可能到達日球層頂的，但如今已經做到了。"

" 旅行者 "2 號上正常運轉的儀器現在還剩下 5 個，" 旅行者 "1 號還剩 4 個。所有這些儀器都由一個裝置提供電力，這個裝置可以把钚放射性衰變產生的熱量轉化為電能。但隨著輸出功率每年減少約 4 瓦，NASA 不得不采用了分流模式。兩年前，" 旅行者 " 號任務的工程師關閉了宇宙線探測器的加熱器，該探測器是確定穿過日球層頂的關鍵設備。既然 " 旅行者 " 號已經到達了日球層頂，所有人都以為這個儀器會停止運轉。

施皮爾克說：" 這里的溫度下降了約 60~70 ℃，遠遠超出了任何儀器的設計運作極限，而宇宙線探測器卻一直在正常工作，這是多么的不可思議啊。"

" 旅行者 " 號最后停止運行的兩個儀器很可能是磁力計和等離子體科學儀器。它們裝在飛船的船體內，計算機發出的熱量為它們保溫。其他儀器都懸掛在一個 13 米長的玻璃纖維吊桿上。多德說："當加熱器關閉后，所有儀器都會變得非常非常冰冷。"

即使 " 旅行者 " 號處于完全靜默的狀態之后，它們的飛行旅程仍將繼續。16 700 年之后，" 旅行者 "1 號將經過離我們最近的恒星，半人馬座比鄰星。再過 3600 年之后，" 旅行者 "2 號將緊隨其后。然后，" 旅行者 " 號將繼續在銀河系中繞行數百萬年。即使將來我們的太陽坍塌、日球層不復存在——更不用提我們的地球了—— " 旅行者 " 號仍然會幾乎完好無損地在銀河系中環游。也許，在未來的某個時刻，" 旅行者 " 號會成功地傳出最后一條信息。這條信息不會是由無線電傳輸的，如果能被接收到，那接收者一定不是人類。