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“旅行者2号”传回首批“星际穿越”数据
2019-11-13 09:08:00  来源:新华日报  作者:张 宣  
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  “旅行者1号”和“旅行者2号”已飞出日球层,进入星际空间。 来源:NASA

  去年11月5日,美国“旅行者2号”探测器飞出日球层,成为继“旅行者1号”之后第二个进入星际空间的人类探测器。

  “旅行者2号”进入星际空间后发现了什么?本月初,英国《自然天文学》杂志同时公开5篇研究论文,描述了“旅行者2号”历史性穿越期间及此后观测到的情况。论文揭示了日球层和星际空间边界附近的磁场等信息,为人类了解星际空间边界的情况提供了前所未有的资料。

  中科院紫金山天文台科普部王科超表示,2012年,“旅行者1号”探测器上的等离子体设备损坏造成部分数据丢失,而“旅行者2号”弥补了这个遗憾,开启了人类探寻太空的“星际时代”。

  “旅行者2号”弥补“1号”遗憾

  “旅行者1号”是由美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器,它于1977年9月5日发射。它曾到访过木星及土星,是提供了其卫星高解像清晰照片的第一艘航天器。

  2012年8月25日,“旅行者1号”成为第一个穿越太阳圈并进入星际介质的探测器,传回了非常宝贵的日球层顶数据。但遗憾的是,由于探测器上的等离子体设备损坏,地球上的研究人员无法收集到那次穿越的完整数据。

  “旅行者1号”携带了一个铜制镀金磁盘唱片,它的内容包括用55种人类语言录制的问候语和各类音乐,其中包括四种中国的方言:普通话、闽南语、粤语、吴语。另外,磁盘上还有115幅影像,这些数据旨在向“外星人”表达人类的问候。这个唱片哪怕过了10亿年,音质依旧不会有任何差别。

  截至2019年10月23日止,“旅行者1号”正处于离太阳211亿公里的距离。科学家预计,直到2020年为止,“旅行者1号”仍有足够的能源支持星际飞行,并且可以和地球保持联络。至于“旅行者1号”上的电池,王科超表示,探测器上携带三枚核电池,能够保证它继续飞行至2025年。一旦电池耗尽,“旅行者1号”将继续向银河系中心前进,再也回不来了。

  “旅行者2号”是第二个进入星际介质的探测器,其发射时间比姐妹探测器“旅行者1号”还早15天,已在太空中运行了42年。幸运的是,“旅行者2号”运行一切正常,并传回了完整的星际穿越数据。

  《自然天文学》杂志的五篇论文分别详细介绍了“旅行者2号”五种科学仪器的发现,包括磁场传感器、两种用于检测高能粒子的仪器,以及两种研究等离子体的仪器。“论文报道了‘旅行者2号’进入星际空间时的初步测量数据,并重点比较了与‘旅行者1号’穿越的异同。”王科超说,和“旅行者1号”不同,“旅行者2号”上设备的数据显示日光层的边界更薄更平滑,之后的星际磁场也更强。

  逃离太阳粒子,进入星际空间

  去年11月5日“旅行者2号”探测器进入星际空间,进入星际空间是怎么判定的呢?王科超告诉记者,当天,“旅行者2号”等离子体科学仪器发回的数据显示,太阳风粒子速度急剧下降,而宇宙射线则相应增加。之后,“旅行者2号”周围环境不再有太阳风流动。王科超说,当宇宙射线量远远高于太阳风辐射量时,就可以说是离开日球层,进入了星际空间。

  “恒星和恒星之间并非空无一物,而是充斥着各式各样的粒子和辐射,它们被称为星际介质。”王科超解释,可以把它们想像成填充在恒星之间的一大片空气,只是要稀薄得多,远比地球上实验室抽到的真空还要更稀薄。

  太阳除了发光发热以外,也会向外释放出带电粒子,被形象地称为太阳风。太阳风向外吹出扩散,这个过程会遇到星际介质的阻拦。一直到太阳风的“力气”耗尽,再也无力向外扩张为止。王科超打了个比喻,太阳风就如同在星际介质中吹出了一个气泡,日球层就可以理解为这个气泡,气泡内外是热而稀薄的太阳风和冷而致密的星际介质;探测器穿过气泡后周围就不再有来自太阳的粒子,而是来自宇宙的粒子。

  “穿过日球层顶即认为是进入了星际空间。”王科超说,这是人类探测器目前能够到达最远的地方,人们之前对之知之甚少,进入星际空间的意义自然不言而喻。当然,“旅行者2号”飞进了星际介质,但这并不等同于它飞出太阳系了——这完完全全是两个不一样的概念。以“旅行者2号”目前的飞行速度,飞出太阳系至少还需要上万年的时间。

  “论文显示,‘旅行者2号’磁场传感器的观测数据还印证了‘旅行者1号’的一个惊人发现。”王科超说,日球层顶外缘区域磁场方向与日球层顶内部磁场方向是平行的。宇宙磁场广泛存在于宇宙每个角落,科学家最初通过“旅行者1号”发现这个现象时,他们不确定这种有序的磁场排列是外部星际空间的普遍特征还是巧合,最新数据表明太阳系内外磁场方向很可能是一致的。

  数据前所未有,疑问和新知待解

  “旅行者2号”提供了前所未有的来自最远方的探测数据。通过探测器,人类对星际空间有了更丰富的认识,可以确定的是,“旅行者2号”的穿越数据阐述了日球层顶已经是太阳系的最外层结构,也是日光层和星际空间之间的边界。但穿越数据带来的疑问与新知同样多。

  “旅行者1号”和“2号”都证实,邻近星际空间中的等离子体,比日球层内部的等离子体密度更高,而温度比日球层内部的等离子体更冷。美国国家航空航天局科学家认为,这可能表明星际空间的等离子体正在被压缩。

  “旅行者2号”观察到等离子体密度在离开太阳风层顶之前也略有增加,表明等离子体在日球层内部边缘也被压缩了。但科学家尚未完全了解是什么原因造成了日球层内外的等离子体压缩。同样无解的是,“旅行者2号”发现太阳风层顶外的磁场与日球层内部的磁场平行,这些现象背后的科学原因,科学家无法解释。

  星际空间的具体性质也有待解答,离太阳更远、尚未探索过的空间的结构也存在争议。天文学家斯图尔斯认为,随着旅行者探测器进一步深入星际空间,它们会探索新的区域并传回新的独特数据,只有直接观测到,才能解除争议。

  “‘旅行者1号’和‘2号’最初的任务都不是探测星际空间,仅仅是探测土星和火星。”中国航天科工二院研究员杨宇光说,这两个探测器携带的科学仪器,并不是专门为了探测星际空间和太阳风层顶环境而设计的;他认为,“旅行者1号”和“2号”虽然实现了对远离太阳系中心的空间环境数据的补缺,但并非全面的探测。“旅行者1号”2012年进入星际空间,时间、位置与“旅行者2号”均有不同。杨宇光认为,这种差异可以获得不同时期、方位的数据并能了解到不同时刻太阳活动水平的变化。

  “除了两个旅行者探测器,即将飞出太阳系的探测器还有先驱者10号、11号、新视野号。”王科超说,先驱者10号、11号已经音信全无,人们已经放弃与之保持联系,新视野号正在飞出太阳系并持续传回探测数据,这趟旅程没有终点,三个探测器还将继续探索人类未知的神秘图景。

标签:旅行者;星际空间;探测器
责编:李苏珺
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