通向未知——“旅行者号”的远征之路

　　 1977年，旅行者1号（Voyager 1）和2号（Voyager 2）探测器，带着人类文明存在的证据发射升空，迄今为止已在茫茫宇宙中历经36年的漫长跋涉。其中旅行者1号在飞行了约186亿千米之后，已经处于太阳系边缘。部分天文学家认为，旅行者1号已经脱离太阳系，进入星际空间（interstellar space）；然而美国航空航天局（NASA）根据数据却认为旅行者1号还在太阳系内。那么它到底是否离开了太阳系？在这艰苦卓绝的旅途中，旅行者号又经历和探索到了什么？迎接它的又将是怎样的未来呢？

旅行者简介

　　
　　旅行者2号和旅行者1号分别于1977年8月20日和9月5日发射升空。这两个姊妹探测器结构大致相同，带有宇宙射线传感器、等离子体传感器、磁强计、广角、窄角电视摄像仪、红外干涉仪等11种科学仪器。除此之外，探测器上还携带了一张镀金铜板声像片和一枚金刚石唱针，它可以在宇宙中保存10亿年，上面记录了115种地球上动植物的图形，长达90分钟的各国音乐录音，以及用55种人类语言向外星智慧生物发出的问候语；一块高纯度的铀238也被放置于探测器上。由于其衰变为钚239的半衰期约为41.7亿年，这样捕获此唱片的外星生命即可据此推算出探测器的发射日期。

图1 旅行者1号示意图

　　旅行者号探测器最初的任务是探测太阳系外围的行星。两个探测器沿着不同的轨迹前进，其中1号探测了木星和土星，2号则对木星、土星、天王星和海王星都进行了考察。两个探测器经过木星时，发现了木星极光、木星环和5颗新的木星卫星；它们甚至观测到了艾奥（木卫一）上有喷发硫磺蒸汽的火山活动，并发现木星的磁层被温度高达几百万摄氏度的等离子体所包围。探测器在1980-1981年经过土星，并证实了土星表面是液态氢的海洋。
　　
　　1986年，旅行者2号飞临天王星，探明了天王星的大气、磁场情况，发现了10颗新的天王星卫星和2条新的天王星环。1989年旅行者2号飞抵海王星，发现海王星上的风速达到每小时2100 km，这在整个太阳系中都是绝无仅有的。风暴使得海王星表面出现地球大小的黑斑。实际上到达海王星的太阳辐射仅占到达地球辐射的0.1%，很难想象这剧烈的大气活动是由这微小的辐射所致。

图2 旅行者1号和2号的太阳系穿越轨迹示意图

新的征程

　　
　　 当旅行者2号于1989年离开海王星之后，这两个探测器有了新的使命：对太阳风进行粒子测量，并最终脱离太阳系，探索星际空间。又历经了24年的征途，旅行者1号终于进入太阳系最外围的疆域，随时可能成为跨入星际空间的首个人造物体。
　　
　　今年3月，美国新墨西哥州立大学和马里兰大学的研究人员在《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letter）上发表论文称：旅行者1号已经成为首个脱离太阳系的人造物体。但NASA马上发表官方声明称：旅行者1号位置仍然在太阳系内，因为从目前数据来看，它仍在受太阳的影响范围之内，并非如上述研究所言，已飞离太阳系。
　　
　　究竟旅行者1号是否已经飞离太阳系，这要结合太阳风来进行判断。太阳风起源于太阳最外层的日冕大气，其温度高达几百万摄氏度，主要成分为电子和质子，并含有少量氦和重离子的混合物。这些等离子体携带着磁场一起冲向行星际空间。在一个AU附近，磁场强度约为几个纳特，磁场与日地连线约成45度角。从光球向外2个太阳半径之内，太阳磁场的复杂结构变成简单的径向结构，旋转式的太阳风磁力线缠绕成阿基米德螺旋线，因此随着离太阳径向距离的增加，开始时沿着径向的磁力线逐渐改变到环形方向。在太阳系的外区，由于星系际风的作用，太阳风的速度减缓，并形成一个激波，被称之为终止激波（Termination Shock）。

图3 日球层与旅行者号示意图

　　
　　 在终止激波与日球层顶（Heliopause）之间是日球层鞘（Heliosheath）,这里的等离子体是亚音速的。而日球层顶则将日球层与行星际介质分开，在日球层顶之外，以超音速运动的星系际风因日球层的存在而受到制动，并形成弓激波。
　　
　　根据NASA发布的内容，旅行者1号和2号分别于2004年12月16日和2007年8月30日穿过了终端激波，并进入下降区（Slow down Region）中飞行，其标志为太阳风速度突然下降并且变得湍动无序。在2010年，旅行者1号进入了被称之为停滞区（Stagnation Region）的地方，在这里太阳风速度会下降为零，并且会有偶发性的方向反转。在2012年8月份，伴随着太阳风速度下降为零，旅行者1号测量到太阳风高能离子数量急剧下降，而宇宙线粒子数量突然增加，这也使得很多学者认为旅行者1号已经进入了星际空间。然而判断其是否穿出日球层顶则需要达到三个关键指标：首先，进入星际空间需要测到来自太阳风的带电粒子数量急剧下降；其次，源自太阳系外低能宇宙射线陡然增加；第三，也是最重要的，太阳风东西向的磁场变成随机变化的星际磁场的方向。
　　
　　对于现在的旅行者1号而言，前两个指标已经达到，然而磁强计的数据并没有显示出磁场有上述方向的改变。美国航天局喷气推进实验室（JPL）“旅行者”项目科学家斯通说：“如果单独看宇宙射线和带电粒子的有关数据，你也许认为它已抵达星际空间，但我们的科研团队认为，它仍然在太阳的磁场范围内，并没有抵达那里。” 旅行者1号传回的数据表明，它正处于一种微妙的时刻，即势垒区（Depletion region），或者通俗的称为“磁场高速公路”。在这一区域，来自太阳的高能离子会急速逃逸；而源自太阳系外恒星的宇宙线则会显著增强。

图4 太阳系与星际空间的过渡区

人类梦想

　　
　　2艘旅行者号探测器具体将在何时进入星际空间，未来又将会带给我们什么新奇的发现，也许需要数月、数年、甚至数十年才能知晓，而等待本身就是件激动人心的事情。2艘旅行者号探测器都是由钚所驱动，旅行者1号上的仪器，预计在2020年会开始耗尽动力，2025年则会完全失去动力。但即便其失去动力，旅行者号未来的命运，或许也会正像其在36年前发射时所携带的致词所示：“这是一个来自遥远的小小星球的礼物，它是我们全部声音、科学、影像、音乐、思想和感情的缩影。我们正努力延续自己的岁月， 希望有朝一日能与你们同在。”