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一路锦绣之小户千金旅行者2号飞出日光层、驶入星际:再见,太阳系

王子驾到之爱是唯一

    出品:中国科普博览 作者:川陀太空

     在12月10日美国地球物理联盟年会举行的新闻发布会上,美国宇航局旅行者探测器团队讨论结果已经确定,旅行者2号已经飞出日光层,正式进入了星际空间。这是人类历史上第二次人造探测器进入星际空间,而所谓的日光层也就是太阳风粒子可以抵达的最远距离,一旦飞出了日光层,那么就基本不受太阳风粒子影响了,探测器将直接面对复杂莫测的星际空间。

     根据旅行者2号探测器上的数据,NASA科学家确认探测器穿越日光层的时间是在11月5日,这也是人类第一次对星际空间进行探索。之所以能够这样说,是因为旅行者1号在2012年飞跃日光层的时候缺少了一种仪器,即等离子体科学实验仪器。这个仪器在1980年就已经在旅行者1号上停止使用,但在旅行者2号上仍然可以使用。凭借这个仪器的发挥,我们也第一次对星际空间进行观测。

     图1.日光层示意图(图片来源:NASA)

    

     旅行者2号的位置与基本情况

     旅行者2号现在距离地球大约110亿英里,即180亿公里。目前NASA仍然可以与旅行者2号保持通信,信号从地球传递到旅行者2号上需要16.5个小时的时间。由此看出,旅行者探测器与我们的距离是非常之远的,太阳光到地球都只有8分钟,但要到旅行者2号上需要十几个小时的时间。

     等离子体科学实验仪器可以对太阳风的速度、密度、压力和通量等参数进行探测,旅行者2号在11月5日的数据中发现了这些参数大幅度降低的情况。并且没有探测到旅行者2号周围存在太阳风粒子,因此NASA科学家才有信心认为旅行者2号飞出了日光层。

     除了等离子体数据外,旅行者探测器的科学团队还根据宇宙射线探测系统、低能带电粒子仪以及磁力计数据,最终才得出探测器飞出日光层的结论。这就意味着,旅行者2号的部分仪器设备在此时仍然正常工作,这就为我们第一次探索星际空间奠定了基础。

     图2.旅行者探测器(图片来源:NASA)

    

     从这个角度看,旅行者2号进入星际空间才算是一个开始,NASA将组织力量研究探测器传回的数据。为此,NASA还加入了一个探测器任务来支持旅行者号的数据分析,计划在2024年发射IMAP星际测绘和加速探测器,结合IBEX美国宇航局星际边界探测器的数据,对日光层边缘的环境进行全面而深入的调查。

     需要指出的是,旅行者1号和2号目前只是离开日光层,并不是离开太阳系。不论是狭义还是广义的太阳系范围都比日光层更远,太阳系边界被认为在奥尔特云的外缘,这里距离地球大约1000至10万个天文单位。按照旅行者2号的速度,需要再飞300年才能抵达其内侧边缘。如果要完全飞跃奥尔特云,估计要再飞3万年才行。

     图3.两艘旅行者探测器飞行方向(图片来源:NASA)

    

     旅行者2号还能运行多久?

     两艘旅行者探测器于1977年发射,对太阳系各大行星进行了初步考察,飞出冥王星轨道之后被重新设定轨道,向太阳系外方向前进。从1977年至今,旅行者探测器已经运行了41年的时间,其原本计划的任务寿命只有5年,而旅行者2号到目前为止状态要比1号更好一些。这得益于旅行者探测器上使用的核电池,放射性同位素热发生器理论上可以工作到2025年之后,输出功率每年消耗4瓦左右,因此随着时间的推移,除非是故障因素导致的停机外,探测器上的仪器也会因为供电问题选择性关闭,其中就包括星载摄像机,已经无法工作。

     图4.冥王星轨道之外空间示意图(图片来源:NASA)

    

     作为地球文明的使者,旅行者探测器上也携带了记录地球方方面面的图片、声频等信息,理论上可以保存数十亿年之久。川陀太空认为,旅行者探测器甚至会变成人类文明的罕见遗迹,如果我们的文明无法继续存在下去,那么飞出日光层的旅行者探测器就会变成文明的见证者。毕竟环境问题、核武器、病毒、小行星都有可能摧毁人类。川陀太空认为,与旅行者1号所不同的是,旅行者2号在通过进入星际空间之后科学探索并不会很快结束,探测器上还有可以运行的仪器,可以对星际空间的环境进行探索。

     根据目前旅行者探测器的状态,两艘探测器至少可以运行至少5年以上,如果运气好的话也可能达到10年以上,届时旅行者探测器就有将近50年的空间运行历史。由此我们可以认为,根据NASA给出的观点,旅行者探测器最多运行到2030年,保守估计在2023至2025年。探测器上的仪器设备不会无限期运行下去,除了本身寿命限制之外,还有电力供应是否持续的问题。

     图5.深空飞行中的旅行者探测器(图片来源:NASA)

    

     深空探测未来的路如何走?

     旅行者2号穿越日光层之后就要进入星际空间,脱离了太阳风的气泡保护,因此我们有理由认为旅行者2号将会探测到更多的银河宇宙射线,这些射线其实是一些具有极高能量的原子,以接近光速在宇宙中穿行。高能宇宙射线的来源比较复杂,比如中子星、黑洞事件,超新星爆发等,都会产生高能宇宙射线。从某种意义上看,每个恒星系统所建立的日光层都可以认为是一种保护伞,在复杂的宇宙射线下,日光层对太阳系生命具有一定的保护作用。

     目前两艘旅行者探测器都先后飞出日光层,进入星际空间,接下来最有可能飞出日光层的就是新视野号探测器了。目前该探测器距离地球大约64亿公里,正准备探索第一个柯伊伯带天体,对新视野号而言,还有很长的路要走。旅行者2号距离地球达到180亿公里,因此在短期内新视野号不会飞出日光层,其更多的任务是侧重对柯伊伯带天体的考察。

     图6.柯伊伯带示意图(图片来源:NASA)

    

     展望未来,至少在接下来5至10年,很难说会有一个新的外太阳系探测项目出现,新视野号本来有一个姊妹探测器,后来被取消了。因此在可预见的未来,也只有这三艘探测器在飞出日光层的同时会保持与地球联系,鉴于飞抵冥王星轨道之外需要10年左右的时间,两艘旅行者探测器更是在1977年就已经升空,在其发射后40年左右才飞出日光层。那么可以认为在本世纪结束时,很可能只有2艘旅行者探测器和新视野号飞出日光层,除非NASA在2030年代启动一个外太阳系探索项目,那么在22世纪到来之前,还有一次飞出日光层的机会,不然就要等到22世纪了。

     本文出品自"中国科普博览",转载请注明出处。

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