星际旅行者，持续流浪

来源：光明网-《光明日报》

在人类仰望群星数千年的历史中，以及人类数十年来发射探测器探索宇宙的过程中，只有两艘航天器带着运作的科学仪器，成功逃出了太阳在星际空间中吹出的“泡泡”。这对“旅行者”号航天器均于1977年发射，各自开启了一段史诗般的外行星探测之旅。两艘探测器都飞掠了木星和土星，“旅行者”2号的足迹还涵盖了天王星和海王星。自那以后，两个探测器一直在探索更遥远的深空，尽管面临老化及电力减少的挑战，它们搭载的多台仪器仍在持续观测。2004年，“旅行者”1号抵达终端激波（当太阳风接触到星际介质后开始减速的区域，是受太阳影响的空间中最外围的边界），开始向星际空间过渡，这一旅程长达数年时间。“旅行者”2号也于2007年越过这一边界。

自那以后的岁月里，这两艘航天器一直为我们提供着独家视野，使我们得以一瞥太阳对星际空间施加影响力的边界，以及更遥远的区域——科学家将这里称为日球层。“旅行者”号的发现揭示出关于外日球层和星际空间的无数新谜题。这两艘著名航天器的寿命已临近终年，科学家正在努力寻找新方法，继续研究这一领域的未解之谜。

美国波士顿大学的空间物理学家梅拉夫·奥芬说：“我们对日球层知之甚少。它比我们想象的要复杂得多，也更具活力。”

身在此山中

大多数地球上的人类或许会把太阳想象成一个致密的大光球，部分原因是我们厚实的大气层阻挡了来自这颗恒星最致命的威胁。但实际上，太阳是一团炽热滚烫的磁性等离子体，以太阳风的形式将粒子辐射到数亿千米外的太空中。随着太阳风的传播，太阳磁场也会影响行星之间的空间。日球层也会随着太阳活动水平11年的变化周期而膨胀或收缩。

美国普林斯顿大学的空间物理学家、“旅行者”号任务的副项目科学家杰米·兰金说：“在整个日球层内，你都能明显看到以11年为周期的起起落落，就像重复着一场起承转合的大戏。”她还指出，各个研究方向的天文学家都被困在这种混乱的背景辐射中，这会影响他们的数据和解释。兰金说：“直到‘旅行者’号穿越日球层顶之前，我们（对星际介质）的每一次测量结果都经过了太阳不同圈层的过滤。”

“旅行者”号之所以声名远扬，也正是因为把握住了突发的契机。这对双子航天器发射时，其设计目的是利用每176年一次的罕见行星位置排列，以极高的经济性一次性飞掠木星、土星、天王星和海王星全部四颗外行星。

“旅行者”号发现木星的卫星木卫一是一个炼狱般的火山世界，与地球的死气沉沉的灰色卫星完全不同。“旅行者”1号勘测了土星最大的卫星土卫六及其浓密的大气层，确认其主要成分与地球大气层一样，都是氮气。“旅行者”2号是第一艘，也是迄今唯一一艘飞掠天王星和海王星的航天器，它发现了两颗行星表面的超高速风、共计十几颗卫星和六层新光环，以及天王星奇怪的倾斜磁场与海王星的风暴系统“大黑斑”。太阳系在我们眼中的样貌从此彻底改变。

甚至在发射之前，“旅行者”号任务饱含的诗意就已然显现。在天文学家卡尔·萨根的率先提议下，每艘航天器上都配有一张金唱片，这对宇宙中其他可能存在的智慧生命是一种象征性表达。每张唱片都能抵御星际空间中的各种威胁，其中编码了我们在宇宙中的位置图、地球上日常生活的照片，以及无数种语言的问候和歌曲。当几个世纪以后，任何一种文明偶然发现漂流的航天器时，都会看到一幅充满友好与爱的人类画卷。

在前往星际空间的旅途中，“旅行者”号不得不跨越一系列边界：首先是距离太阳约110亿至130亿千米的终端激波，太阳风在此处突然开始减速；然后是日球层顶，此处太阳风向外的压力等于星际介质向内的压力。在这两个明显的边界之间的区域是日球层鞘，其中太阳物质的流速继续减缓，甚至方向反转。“旅行者”1号也花了近8年才完全穿越这些边界，它甚至还是双子探测器中速度更快的那个——可见涉足的空间之大。

“旅行者”1号于2012年越过日球层顶进入星际空间，“旅行者”2号则于2018年抵达。星际空间与日球层内部的环境截然不同：这里更宁静，但绝非静止。兰金在谈到星际介质时说：“这是太阳系诞生时所处环境的遗迹。”其中有被称为银河宇宙射线的高能亚原子粒子，以及宇宙中垂死恒星抛出的气体尘埃等成分。

星际介质在银河系中各处并不相同，密度较高和较低的区域沿着银河系旋臂交替排列。太阳和它吹出的气泡在其间穿行，太阳活动和星际介质之间的相互作用则影响着日球层的形状。

然而，科学家还不清楚日球层的具体形状。日球层的形状可能类似于彗星，拖着一条长长的尾巴，有着紧凑的核心区域，太阳携着它们挤过星际空间。或者，太阳磁场和星际介质之间的相互作用将气泡塑造成牛角面包的形状，有两瓣包层远离恒星深入星际空间的结构。日球层的形态也可能是科学家从未考虑过的样子，站在地球的有限视角上，我们很难研究明白。以色列魏茨曼科学研究所的空间物理学家萨拉·斯皮策说：“打个比方，我们就好像是金鱼，试图从金鱼缸内部测量它的形状，而我们甚至无法到达鱼缸边缘。”

“旅行者”号则是例外。它们已在1989年完成了行星探测和其他主要任务，但状况依然良好。美国航空航天局（NASA）让它们继续工作，只是关闭了那些仅能通过观测行星产出有趣数据的仪器。岁月流逝，“旅行者”号一直向外跋涉，游向我们所处的宇宙金鱼缸的边缘。

星际边界

但金鱼们可没有闲着。2008年，NASA发射了“星际边界探测器”（IBEX），该探测器环绕地球运行，对从日球层边缘流入的高能中性原子进行采样。科学家可以用IBEX测量这些粒子的性质，以此来重构数十亿千米外的发生的事情。

IBEX的主要贡献之一是发现了一条横跨日球层鞘的高能中性原子带。科学家认为，这一条带可能是由在日球层内外反弹的粒子引起的。但“旅行者”号却遭遇“宇宙级”的坏运气，它们从条带结构的两侧飞掠而过，无法直接研究IBEX发现的条带。普林斯顿大学的空间物理学家、IBEX首席研究员戴维·麦科马斯说：“外日球层中最大、最耀眼的东西正好在它们之间。”

即使是太阳这种影响甚远的庞大系统，也正在经历类似情形，这反映出我们依然在依赖局部观测，在认知上有局限性。麦科马斯说：“‘旅行者’号就像是在给日球层做活体检查。仅凭两组点的数据，我们对外日球层的三维结构依然一无所知。”

IBEX仍在观测，任务持续时间已远远超出最初的计划。这艘航天器已经设法在整个11年的太阳活动周内收集数据，以观察日球层如何响应太阳活动。但麦科马斯也在全力筹备另一项由他主导的任务，计划于今年秋天发射。他将星际测绘和加速探测器（IMAP）任务形容为“增强版IBEX”，两者基本功能相同，但前者分辨率更高，观测内容更丰富。

IMAP将前往科学家所说的日地拉格朗日L1点，这条稳定的绕日轨道在日地连线上，比地球更靠近太阳160万千米。在这个有利位置，探测器能捕获大量粒子：有的是与揭示IBEX条带同一性质的高能中性原子；也有拾起离子，它们最初是星际介质中的原子，在太阳附近拾起电荷，然后反向返回日球层顶；还有的是潜入太阳系的星际尘埃颗粒，它们来自衰亡恒星的遗骸。同时，探测器还将观测太阳的磁场和太阳风的结构，以揭示粒子运动方式背后的原因。IMAP任务科学家希望绘制出一张更清晰的日球层全图，和日球层外更明晰的景象。

其他科学家正计划直接从该区域收集更多观测数据。另一艘航天器也正跟随着“旅行者”号的脚步离开日球层：那就是于2015年飞掠冥王星的“新视野”号。它完成了对冥王星系统的研究，并在2019年探测了一个更遥远的柯伊柏带天体，名为“天涯海角”。“新视野”号有望在大约十年后穿越日球层顶。科学家希望到那时它的仪器仍能正常工作，为人类第三次探索太阳势力范围之外的世界做好准备。

科学家还规划了一个名为“星际探测器”的任务，与“旅行者”号和“新视野”号不同，该任务专为点亮人类对日球层及更远区域的视野而设计。它将由一枚重型火箭发射，快速飞离太阳系，搭载的设备专注于研究等离子体和磁场，而非行星。理想情况下，它将航行得足够远，此时回望就能分辨出日球层难以捉摸的形状。但是，在NASA最近发布的《太阳物理学十年调研》中，该任务并没有被列为美国太阳物理学未来十年内的优先项目，而这一否决可能让美国科学家失去在短期内对星际介质进行采样的机会。

梦想的结晶

直至目前，科学家只能继续研究“旅行者”号传回的少量信号。在某些方面，他们掌握的信息相当丰富：大约二十年来关于星际空间边界的数据，而这些数据又来自处在两个不同位置的两艘航天器。传回的结果也充满了奇怪的现象，例如，一艘航天器看上去穿越了终端激波5次，这也许是因为日球层的形态会随着变化的太阳风强度同步起伏。

但“旅行者”号的远距离观测只是馋人的开胃前菜，让我们得以一瞥一个我们几乎无法到达的区域，这些数据带给我们的疑问远远多于答案。例如，科学家预计日球层和星际空间的磁场会有很大的不同，但探测器传回的数据却截然不同。2020年，“旅行者”1号进入了一个奇怪的“压力锋面”，此处的磁场陡然增加，科学家难以解释其缘由。尽管这两艘航天器数年前就已经飞到了日球层顶之外，它们依然能在穿行的介质中找到太阳活动的细微痕迹，这扩大了科学家对太阳影响范围大小的认识。

当然，“旅行者”号正在老化。它们是NASA迄今为止任务期最长的探测器，由科学家的梦想编织而成，他们也从未想过这项任务的生命也许比任务缔造者本身更长久。每枚探测器的核心都是放射性同位素电池，为仪器和通信系统提供动力，但它们的运行功率已经降低到发射时的大约一半，并且仍在连年衰减。在过去的几年里，“旅行者”1号发生过严重的故障，影响了它的通信，“旅行者”2号指向地球的天线也曾短暂偏离。此时此刻，任何微小的故障都可能导致任务的彻底终结。

有一件事是肯定的：无论“旅行者”号的任务何时结束，它们都会让科学家渴求更多星际空间的数据。奥芬说：“‘旅行者’号的仪器在我们看清日球层的全貌之前就会停止工作。但我们想尽可能延长‘旅行者’号的任务期限，它们是我们的无价之宝。”

（作者：梅根·巴特尔斯）

本版图文均由《环球科学》杂志社供稿