旅行者号(旅行者号动力来源)
xj 2023-04-11
在我们头顶璀璨的星空,除了漫天的星星和月亮,还有一位我们人类最虔诚的朋友,尽管你无法用肉眼看到它,但它却是在茫茫宇宙孤独的飞行44年。
时至今日,在距离地球250光年的深空,这个漂泊的游子,依然会时不时地向地球母亲投来一片最温柔的目光,它是人类深空 探索 最伟大的先驱,它是旅行者号。
1977年,对于深空 探索 来说,是一个千载难逢的时机,土星、木星、天王星和海王星的相对位置,使得一个从地球发射的探测器,能够在各个行星附近进行连续借力飞行, 探索 火星轨道之外所有的太阳系大行星。
所谓借力飞行,就是人造飞行器 借助天体的引力来为飞行器加速,如果把飞行器看作一位徒步的行者,那么借力飞行过程中的行星,就相当于是一趟免费的公交车,不但能减少飞行所需的 能量、降低发射难度,还能提高飞船的飞行速度。
正是在这样背景下,美国宇航局在这一年先后发射了两枚深空探测器,旅行者1号和旅行者2号。“旅行者 1 号”的探测目标为土星、木星和木星最大的卫星泰坦。 而“旅行者 2 号”在完成对土星、木星的探测后,则会继续探测天王星和海王星。完成这些任务后,两个探测器将会沿着不同的方向飞往太阳系的边缘。
实际上,虽然“旅行者 2 号” 编号靠后,但它的发射时间要早于 “旅行者 1 号”,旅行者2 号发射于1977年8月20日,而1号则是发射于同年的9月5日。
旅行者1号重约815千克,比1号的721千克质量稍微大一点,兄弟俩都采用 钚 电池 核动力 供能。 旅行者1号 和2号设计上 基本相同,不同的是旅行者2号循一个较慢的飞行轨迹,使它能够保持在 黄道 )之中,而所谓的黄道就是 太阳系 众行星的轨道水平面。
每个探测器除了携带高分辨率相机,等离子探测分析仪,高增益天线等设备之外,还每个探测器都 携带了一个铜制镀金磁盘唱片, 作为地球和人类的名片,向捕获“旅行者号”的地外文明展示我们这个星球的方方面面, 由金刚石制作而成的留声机针,可以保证10亿年,音质依旧不会有任何差别。
在金唱盘储存的图片中,有数学、 物理公式和 DNA 结构这些体现我们对自然界认识水平的抽象内容;也有呼啸而起的运载火箭、在太空行走的航天员、 探测天体射电信号的阿雷西博望远镜,代表我们技术水平的象征;有联合国大楼、泰姬陵等人文景观。而更多的则是 我们日常生活的方方面面:超市中采购 的女士,高峰期恼人的堵车,满载而归的渔船,教室里听讲的孩童等等。
唱片中的声音信息,除了时任联合国秘书长和美国总统对地外文明的问候外,还有地球上不同语言的问候。倘若地外文明真能解码这个唱盘,他们听到的中文普通话信息将是“各位都好吧?我们都很想念你们,有空请到这来玩”,他们还能听到粤语、吴语、闽南话等中文方言。
如果他们听腻了干巴巴的语音,还能欣赏巴赫、贝多芬的古典音乐和中国二胡演奏的《高山流水》。
在金唱盘中,最 特殊的记录当属“旅行者号”团队成员 安·德鲁彦的脑电波。按照计划,德鲁彦在录制脑电波时应该努力思考人类的 历史 政治问题,可当时刚刚坠入爱河的她,却身陷爱情的甜蜜不能自拔,最终,这段记录了人类恋爱时美丽心情的脑电波,被带到了茫茫太空。
在金唱盘表面,科学家们用宇宙通用的物理语言,标出了太阳在宇宙中的位置。
氢是宇宙中存在最广泛的元素,原子结构也最简单, 在唱盘右下方 刻有氢原子发生一种名叫“自旋跃迁” 的物理现象的图像, 将这个现象发生的 0.704 纳秒的周期定义为一个基本时间 单位。
在唱盘左下方,标识了 14 颗脉冲星和太阳的相对位置图 。脉冲星是一种能够以特定频率向外辐射电磁波的天体,每颗脉冲星的频率都是独特的,如果捕获这艘飞船的文明与人类文明的发展水平相当,他们就能通过位置图上的二进制符号与氢原子的跃迁时间,测算出每颗脉冲星的频率,从已经发现的脉冲星中将唱片上的 14 颗脉冲星辨认出来,进而确定太阳的位置。
此外,地外文明还能借助唱片左上方和右上方的示意图,弄清播放唱片、读取图像信号的方式,获得我们想要带给他们的全部信息。
每造访一个星体,旅行者号两兄弟随身携带的相机,总能拍到令人激动的震撼图像,1979年,旅行者一号 经过木星系统 ,在木星上第一次发现了地球之外的闪电活动;又在木星的卫星伊奥上第一次发现了地球之外的活火山活动;在木星的卫星欧罗巴上第一次发现了地球之外的海洋。
1980年, 旅行者一号 经过 土星系统 ,在土星的卫星泰坦上,发现了与地球大气性质极为相似的大气层, 它也是第一个提供了木星、土星以及其卫星详细照片的探测器。
“旅行者 2 号”是第一个也是唯一造访过天王星和海王星的探测器,不但拍下了这两颗气态巨行星的美丽的外表,还发现了海王星上位形特殊的磁场。
1990 年,当“旅行者 1 号”上的 高分辨率相机的探测任务全部完成时,科学家决定关闭相机以节约电能,那一年的 2 月14 日,“旅行者1号”在60亿公里之外,最后一次拍下了它眼中的地球,这就是那张后来被命名为“黯淡蓝点”的著名照片。
至于“旅行者1号”上的电池,科学家说,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。
1980 年和 1981 年,旅行者 1 号、2 号先后飞掠土星,兄弟俩通过测量土星发出的无线电信号推测出土星自转周期为 10 小时 45 分 45 秒。
旅行者号和地球之间的通信联系,依靠的是三座分别建在美国的戈德斯通、 西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉的大型卫星天线,这些天线的外观和一般接收卫星信号的“大锅” 差不多,但直径却高达 70 米,是美国深空探测网的中坚力量。
2018 年12月10日,美国宇航局旅行者号团队宣布:旅行者 2 号探测器脱离了太阳风层,进入一片人类陌生的太空,此时旅行者2号距离地球180亿公里,开始进入星际空间,而这也是继六年前,旅行者 1号成功脱离太阳风层之后,第二个进入星际空间的人造飞行器。有关这一章节的发现,我们将在下一期图文为大家详细解读。
值得一提的是,索然旅行者1号和2号都已经突破太阳风顶层的日球层,单着并不意味着它们已经飞出了太阳系,按照NASA的定义,太阳系的边境是在奥尔特云层之外,而达到奥尔特云内部,至少需要300年时间,飞越奥尔特云需要3万年。
如果把太阳系比作一个鸡蛋的话,太阳就是中间的蛋黄,八大行星就是蛋清,最外层还有一圈奥尔特星云,它相当于蛋壳,以人类目前的 科技 水平,人造探测器根本不可能冲出太阳系。
目前旅行者1号的飞行速度达到17公里每秒,比2号快10%,据天文学家们的计算,如果“旅行者-1”号一直能顺利地飞行下去,从理论上讲,它会在7万3千6百年左右,经过半人马座 比邻星 。 而旅行者2号将在 296036年,到达距离 天狼星 最近约4.3光年的地方。
2020年10月30日,在失联8个月之后, NASA再次收到“旅行者2号”发回的指令,一句‘ 你好 ’的反馈,表明这个孜孜不倦的旅行家依然在征途。 到 2030 年,维持探测器最基本系统运行的电能也将耗尽,那时这个人类最忠诚的朋友将彻底进入静默状态。
“船队满载着持灯的使者”:旅行者号 首批飞离太阳系的人类飞船“旅行者”(Voyager program)是美国国家航空航天局(NASA)的无人外太阳系探测计划,包含“旅行者-1”号及“旅行者-2”号。它们都在1977年发射,并从1970年代末起探测太阳系行星。虽然“旅行者”计划起初只设计探测木星、土星,但这两个航天器最终都抵达太阳系边缘,并且持续传回相关资讯。
“旅行者-1”号最初计划属于“水手”号计划的一部分,它的设计利用了属于当时的新技术引力加速。幸运的是,这次任务刚巧碰上了176年才一遇的行星几何排列: “航天器只需要少量燃料以作航道修正,其余时间可以借助各个行星的引力加速,以一艘航天器就能造访太阳系里的四颗气体巨行星:木星、土星、天王星及海王星。”
“旅行者”1号、2号就是为了这次机会而设计,它们的发射时间也被精确计算过。拜这次百年难遇良机所赐,两艘姊妹飞船只需要用上12年就能造访4个行星,而非一般的30年时间。
“旅行者-1”号于1977年9月5日在佛罗里达州卡纳维纳尔角太空基地发射,截止到当前仍可正常运作,它是有史以来距离地球最远的人造航天器,也是第一个离开太阳系的人造航天器。
“旅行者-1”号从1979年1月开始对木星展开拍摄,并于同年3月5日距离木星最近,仅有349,000公里。而“旅行者-1”号在48小时近距离飞行时间中,完成了对木星的卫星、环、磁场以辐射作出深入研究及拍摄高分辨率的照片,还在木卫一上发现了火山活动。
“旅行者-1”号在1980年11月掠过土星,并于11月12日最接近土星,距离土星最高云层124,000公里。它探测到土星环的结构比想象中还要复杂,也对土卫六上的浓密大气层实施观测。但是这次靠近土卫六的决定,使“旅行者-1”号受到额外的重力影响,最终导致卫星离开黄道(即太阳系众行星的轨道水平面),终止了它的行星探测任务。
“旅行者-2”号在1977年8月20日发射,至今依然正常运作,是有史以来运作时间最久的空间探测器。它与其姊妹船“旅行者-1”号基本上设计相同,不同的是“旅行者-2”号循一个较慢的飞行轨迹,使它能够保持在黄道之中,并借此在1981年时透过土星的引力加速飞往天王星和海王星。
正因如此,“旅行者-2”并没有像“旅行者-1”号一样能够如此靠近土卫六。但它却因此而成为第一艘造访天王星和海王星的航天器,完成了藉那次176年一遇的行星几何排阵而造访四颗气态巨行星的航行壮举。
“旅行者-2”号在1979年7月9日最接近木星,从距离木星云顶570,000公里处掠过。这次探测发现了几个环绕木星的环,并拍摄了一些木卫一的照片。
“旅行者-2”号在1981年8月25日最接近土星。它使用雷达针对土星大气层上部实行探测,并测量了气温及密度等资料。
“旅行者-2”号在1986年1月24日最接近天王星,并旋即发现10个之前未知的天然卫星。它亦探测了天王星因其自转轴倾斜97.77 而形成的独特大气层,并观察了其行星环系统。
“旅行者-2”号在1989年8月25日最接近海王星。由于这是它最后一颗能够造访的行星,所以NASA决定将“旅行者-2”号的航道调校至靠近海卫一的地方,它在探测中发现了海王星的大黑斑。
“旅行者”1号与2号的航行,都获得大量关于太阳系气体行星的资料,这帮助天文学家大幅增加了对于它们的认识。而卫星轨道的变化,也被科学家用来研究海王星外天体的存在。
2012年6月17日,NASA宣布,经过35年的飞行,“旅行者-1”号已在离开太阳系,首次进入星际。 参与“旅行者”项目的科学家埃德·斯通说:“人类向星际空间派出的首个使者已在太阳系边缘。而它一旦进入星际空间,就将需要4万年的时间才能抵达下一个行星系。”
2012年8月25日,“旅行者-1”号成为第一艘穿越太阳圈并进入星际介质的宇宙飞船。
2013年6月,“旅行者-1”号进入日鞘,离太阳已超过186亿公里(124.5天文单位)。这是位于太阳系内部的终端激波地区与星际空间(或星际物质)之间的区域, 星际空间是一个广阔的区域,同时受到太阳及银河系的影响。 光线从太阳发出超过17个小时后才能照到飞船。
2013年9月12日,NASA确认,“旅行者-1”号历经39年的旅行,离地球约206亿公里,终于成为第一个飞离太阳系的人造物体。
NASA的发言人称:“「旅行者」号已经到达了从来没有探测器到达过的空间,这是人类的科学发展史上的里程碑。”一系列相关资料证明, “旅行者-1”号现已脱离包裹着太阳系的由炽热而活跃的粒子组成的太阳圈顶层,进入了寒冷黑暗的恒星际空间。
至2013年6月为止,“旅行者-2”号距太阳约152.4亿公里(约101.9天文单位),也已进入日鞘。 2018年11月5日,“旅行者-2”号成为继“旅行者-1”号之后,第二个飞离氦层进入星际空间的人造物体。氦层是太阳造成的颗粒和磁场保护层。
NASA“旅行者”项目科学家艾德·斯通说:“旅行者不断地给我们惊喜,这意味着我们有很多东西需要学习。如果「旅行者-2」号发回的东西与1号一样,我会很惊奇,因为这将是非常棒的。不过现在我们看到的是太阳系活动周期不同时间的景象,所以我们能够了解不同和相同的地方。”
“旅行者”1号、2号目前仍继续朝太阳系外前进,而“旅行者-1”号则是眼下距离地球最远的人造航天器。
至2018年10月18日止,“旅行者-1”号正处于离太阳215亿公里的位置。 受惠于几次的引力加速,“旅行者-1”号的飞行速度比现有任何一个人类飞行器都要快些,这使得较它早两星期发射的姊妹船“旅行者-2”号永远都不会超越它。 它们的动力都来自放射性材料衰变带来的热能,每年大概削减4瓦特的能量。
虽然“旅行者”都离开了氦层,但NASA在2018年12月修正说法,仍表示它们离开了太阳系的说法并不准确。科学家说,“旅行者-2”号要飞离太阳的影响可能需要将近三万年。
“旅行者-2”号向地球的讯号传送直至2020年代为止;2036年,“旅行者-1”讯号传输的电力将消耗殆尽,电池耗尽后,它仍将不断向银河系中心前进,但不会再向地球发回数据。 “旅行者-1”号预计将在大约300年内抵达理论中的奥尔特云,也得花上三万年才能通过。
奥尔特云又称奥匹克-奥尔特云,在理论上是一个围绕太阳、主要由冰微行星组成的球体云团。奥尔特云位于星际空间之中,距离太阳最远至10万天文单位(约2光年)左右,也就是太阳和比邻星距离的一半。同样由海王星外天体组成的柯伊伯带和离散盘与太阳的距离不到奥尔特云的千分之一。 奥尔特云的外边缘标志着太阳系结构上的边缘,也是太阳引力影响范围的边缘。
由于“旅行者-2”号的探访行星任务已经完结,“旅行者-1”号被NASA形容为进行星际 探索 任务,尽管它在四万年内不会走向任何一颗特定的恒星。但“旅行者-1”号将会以1.6光年内的距离通过目前在鹿豹座中的恒星格利泽445。这颗恒星正以119 km/s的速度朝太阳系移动中。NASA说:“ 旅行者注定—也许永远—会漫游在银河系中。 ”
自文明诞生以来,太阳系之外的星际空间对于地球上的人类一直是神秘的黑暗真空,其秘密今天终于被即将首批离开太阳系的两艘无畏的宇宙飞船所揭开。
太阳系的边缘,远离太阳的保护,似乎是一个寒冷、空旷、黑暗的地方。相当长一段时间,人类都以为,太阳系及离我们最近的恒星之间的这片广阔空间是一个可怕的虚空。
直到最近,太阳系的边缘还是人类只能从远处窥视的幽暗太空。天文学家对此往往也是匆匆掠过,宁愿将望远镜对准邻近的恒星、星系和星云等发光的物质上。
但正如前述, 在过去几年间,“旅行者”1号和2号飞船已经飞到了我们称之为星际空间的陌生区域,传回的影像让人类第一次瞥见这片广袤空间的真实面目。 作为首批远离太阳系的人类建造物体,这两艘航天器正在 探索 远离地球数十亿英里的未知领域。而在此之前,还没有任何人类飞船飞到如此遥远的太空。
“旅行者”号揭示出,在太阳系的边界之外,存在着一个虽然肉眼看不见,但物质却相当活跃、混沌而激荡的区域。 同时,太阳及其行星形成的太阳圈与星际空间的星际物质相碰撞时会产生弓形激波。
研究太阳系外围区域的新西兰基督城坎特伯雷大学的天文学家米歇尔·班尼斯特说:“观察电磁波谱的不同部分,你会发现,那部分空间与我们肉眼看到的黑暗大不相同。在这里,电磁现象相互作用,相互推动,相互纠缠激荡,非常活跃。你可以想象一下尼亚加拉瀑布急冲而下形成的湍急河水。”
不过,与尼亚加拉大瀑布下奔涌翻滚的水不同,太阳系外圈的湍流是太阳风的结果。所谓太阳风,是太阳不断向外围抛射出来的超高速带电粒子流,或称等离子流。 太阳风在到达太阳系边缘时会减速崩溃,混合到在星系间流动的气体、尘埃和宇宙射线,即“星际介质”之中。 太阳风会因太阳活动的强弱而加剧或放缓。
在以往的一百年,主要依靠射电望远镜和X射线望远镜的观察,科学家们勾画出一幅关于星际介质的组成图片,揭示了星际介质是由极度分散的电离氢原子、宇宙尘和宇宙射线,以及密度很大的星际分子云所组成。 分子云是新的恒星诞生之所。我们的太阳系就是45亿年前一个巨大的分子云坍塌形成。
然而,太阳系之外的星际介质的确切性质在很大程度上仍是个谜,主要是因为 整个太阳系, 即太阳及其八大行星,和一个名为柯伊伯带的极其遥远的微型天体密集圆盘状区域,都 被包裹在一个巨大的由太阳风形成的保护泡中。这个如同气球一样的泡泡被称为太阳圈 (heliosphere,也译为日球层)。
当太阳带着其众多行星在银河系快速运动时,这个因太阳风形成的大气泡就像一块无形盾牌一样抵挡着星际介质,把大多数有害的宇宙射线和其它物质挡在太阳系外面。 “旅行者-2”号飞离太阳系时曾测量到宇宙射线的暴增,太阳圈气泡则挡住了宇宙射线进入太阳系,从而保护了地球上的生命。
但太阳圈(日球层)救命的特性也让研究这个气泡之外的星际空间变得更加困难。甚至从人类所处的太阳系内部,也很难确定太阳圈的大小和形状。
约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的博士后研究员艾伦娜·普洛沃尼科娃说:“这就像你在自己的家里,想知道房子是什么样子,必须到外面去看一看,才能真正判断出来。要知道太阳圈到底是什么样,唯一方法是走出太阳系,然后回头看,要从太阳圈之外去拍摄它的图像。”
这可不是一项简单的任务。 与整个银河系相比,太阳系就像比漂浮在太平洋中央的一粒米还要小的东西。而对人类来说,太阳圈(日球层)的外边缘又是非常的遥远,以至于两艘航天器“旅行者-1”号和“旅行者-2”号从地球起飞后,花了40多年时间才能够到达这里。
以较直的路线穿过太阳系的“旅行者-1”号在2012年率先进入星际空间,接着“旅行者-2”号在2018年也进入星际空间。目前,这两艘人造飞船分别离地球约130亿英里和110亿英里,并继续向外飞离,进入离太阳系更远的外太空。它们在飞离太阳系之同时,也不间断向地球传回更多数据。
已届不惑之年的“旅行者”号揭示了太阳圈和星际介质之间的边界的真面貌,这为人类了解太阳系是如何形成的以及地球上生命何以能够存在提供了新线索。 实际上,人类如今才发现,太阳系边缘并不是一个清晰的边界,而是搅动着旋转的磁场、碰撞的恒星风暴、高能粒子风暴与旋转辐射的活跃混沌带。
太阳圈气泡的大小和形状会随着太阳风输出的变化而改变,也会随着太阳系穿越星际介质的不同区域而改变。当太阳风上升或下降时,还会改变太阳圈气泡所受到的外在压力。
2014年,太阳的活动激增,生成了一场席卷行星际空间的太阳风暴。 风暴以每秒800公里的速度首先冲击水星和金星。两天之后,穿越1亿5千万公里,太阳风暴包围了地球,但幸运的是,地球的磁场能够阻挡太阳风,保护地球生命免受太阳风的强大辐射破坏。
一天后,这波强大的太阳风暴从火星呼啸而过,穿过小行星带,朝着遥远的气态巨行星(木星、土星、天王星)而去。两个多月后,又扑向海王星,海王星的轨道距离太阳近45亿公里。
经过6个多月时间,这股太阳风暴终于到达了距离太阳130多亿公里,被称为“终端激波”的空间。在这里,推动太阳风的太阳磁场已变得很微弱,以至于星际介质的压力与太阳风相互作用,使得风暴速度减缓。
到达终端激波带的太阳风暴速度减慢到不及之前的一半,犹如大西洋飓风减弱为热带风暴。2015年底,这场太阳风暴追上了体积如一辆小型 汽车 、形状不规则的“旅行者-2”号。“旅行者-2”号中由缓慢衰变的钚电池驱动、长时间工作已达40多年的感应器迅速探测到这股太阳风暴,并发现太阳风等离子体量暴增。
随后,“旅行者-2”号将数据发回地球,即使是以光速传输,也要花18个小时才能到达地球。天文学家之所以能收到远方“旅行者”号传来的信息,多亏了巨大的70米高的碟形卫星阵列和一系列先进技术的应用。而这些技术在“旅行者”号1977年离开地球时还是无法想象的,更不用说发明了。
当太阳风暴与“旅行者-2”号相遇时,这艘飞船还在太阳系中。一年多后,太阳风暴最后的垂死余风又追上了早在2012年就进入星际空间的“旅行者-1”号。
这两艘飞船穿越太阳系走的是不同路线,一个位于太阳系黄道平面上方30度的方向,另一个则位处黄道下方30度。 2014年爆发的那场太阳风暴在不同的时间及不同的区域与两个“旅行者”号先后相遇,这为研究太阳风层顶(heliopause,也译为日球层顶,即太阳风遭遇星际介质而停滞的边界)的性质提供了有用线索。
“旅行者”号传回的数据表明,这个称为太阳风层顶的湍流边界有几百万公里厚,覆盖着表面积达数十亿平方公里的太阳圈(日球层)。
太阳圈(日球层)大得出乎意料,这体现银河系这一部分的星际介质密度比人们想象的要低。
太阳在银河系的星际空间中运行时会切割出一条路径,就像一艘船在水中航行留下一个“弓形波浪”一样,在它后面也形成一个尾迹,可能带有一个或多个类似于彗星形状的尾巴。但两艘“旅行者”号都是从太阳圈气泡的“鼻子”处起飞,因此没有提供任何太阳圈尾巴的数据。
霍普金斯大学研究员普洛沃尼科娃说:“根据旅行者号的数据估计,太阳风层顶大约有一个天文单位厚。但这不是太阳圈真的表面。这是一个有着复杂活动的区域。我们不知道那里发生了什么。”一个天文单位代表地球和太阳之间的平均距离,为9,300万英里。
在这个太阳系和星际空间之间的边界区域,不仅有太阳风和星际风(interstellar wind,来自星际空间的粒子流)相互冲撞拉扯产生的湍流,而且太阳风和星际介质的粒子似乎还会交换电荷及动量。结果,部分星际介质会转化为太阳风,从而能增加太阳圈气泡向外的推力。
虽然一场太阳风暴可以提供有趣的数据,但令人吃惊的是, 太阳风暴对太阳圈气泡的总体大小和形状产生的影响却很小。 看来,圈外发生的事情比圈内发生的事情对太阳圈的影响要重要得多。太阳风随时间的增强减弱都不会对太阳圈气泡产生明显的影响。 但如果太阳圈气泡进入银河系某区域,其所遇的星际风密度大小会影响太阳圈增大或是缩小。
此外, 有关包围和保护着我们太阳系的太阳圈气泡,至今仍存有许多问题尚未得到解答。例如,这个由太阳风形成的气泡是宇宙中特别之现象还是一种模式。
当太阳系在银河系中的星际介质中运行时,包裹太阳系的太阳圈气泡会形成一条长长的尾巴。普洛沃尼科娃认为, 增加对太阳圈的了解,就会增加对人类在宇宙中是否为孤独的智慧生命这一问题的认识。 她说:“对自己所在星系所做的研究将告诉我们,其他恒星系统中生命发展会需要什么条件。”
这在很大程度上是因为太阳风阻挡星际介质进入太阳系,也阻止了来自太空深处威胁地球生命的辐射和致命的高能粒子(如宇宙射线)的撞击。 宇宙射线是来自太空深处,接近光速的带电高能次原子粒子。 当发生恒星爆炸、星系坍缩成黑洞及其它灾难性的宇宙事件时,就会产生宇宙射线。 在太阳系之外的星际空间充满了不断喷射的高速次原子粒子,这对一个缺乏保护的星球而言,其威力将构成致命的辐射破坏。
普林斯顿大学太阳物理学研究员、也是第一个根据“旅行者”号收集的星际数据撰写博士论文的科学家杰米·兰金说: “ 「旅行者」号数据明确地告诉我们,其中90%的宇宙辐射被太阳过滤掉了。如果没有太阳风的保护,我不知道我们人类是否还能生存。 ”
此间,美国国家航空航天局另外三艘飞船也很快将进入星际空间,分别是“先驱者10”号(Pioneers 10)、“先驱者11”号(Pioneers 11)和“新视野”号(New Horizons),它们将加入“旅行者”号的行列,但其中两艘飞船已耗尽了能量,不能再传送数据回地球。在太阳圈的巨大边界上,这些微小的探测器只能提供极其有限的信息。幸运的是,更广泛的观察可以在离地球较近的空间进行。
NASA于2008年发射一枚绕地球运行的微型卫星“星际边界探测器”(Ibex),用来绘制太阳圈与星际空间相接的边界图。Ibex探测到从星际边界喷射而来被称为“高能中性原子”的粒子带。
兰金说:“你可以把Ibex测绘想象成某种测量恒星视向速度的「多普勒」雷达,而「旅行者」号就像地面气象站。”她使用来自“旅行者”号、Ibex和相关方面的数据来分析较小规模的太阳风暴。
兰金正在根据2014年开始的太阳风暴数据撰写一篇论文。有证据反映, “旅行者-1”号越过太阳圈边界时,太阳圈正在缩小;但“旅行者-2”号越过边界之时,太阳圈却在扩大。 “这是一个相当动态的边界。Ibex的3D图竟捕捉到这一发现,实在了不起,这让我们能够同时追踪到事件发生时「旅行者」号当场的反应。”
Ibex还观察到太阳圈边界究竟有多活跃。Ibex第一年发现了一条巨大的高能中性原子带蜿蜒穿过太阳圈边界,这个中性原子带会随时间变化,在短短6个月时间一些特征会出现和消失。这条带状区域位于太阳圈层顶的前端,在这里太阳风粒子会被星系磁场从太阳圈边缘反射回太阳系。
伴随着人类宇航 科技 的不断进步,尽管未来将会有更多更先进的飞船投入对宇宙深处的 探索 ,但是“旅行者”号伟大的长征故事还很漫长,不会结束。这两艘人类飞船虽已离开太阳圈(日球层),但仍然处在太阳的势力范围之中。即便在这个离太阳非常遥远的边缘地带,用肉眼仍可看到太阳的光,认得出太阳。而且太阳的引力也远远超出了太阳圈,能够拉住那个名为奥尔特云的云状天体,一个由冰、尘埃和太空碎片组成的非常稀疏且巨大的球体云团。
尽管漂浮在遥远的星际空间,奥尔特云中的物质仍旧围绕太阳运行。 穿越太阳系的一些彗星即来自奥尔特云,但人类要想发射探测飞船到3千亿到 1万5千亿公里外的奥尔特云,距离却实在是过于遥远了。 “旅行者-1”号在2012年进入了星际空间,离开太阳已100个天文单位,但还要飞300年才能飞抵巨大无比的奥尔特云。
而这些极其遥远的天体,自从太阳系形成迄今就基本上没有改变过,它们可能掌握着行星如何形成,以及生命为何能够在宇宙中出现等这一切问题的密码。随着每一波新数据的出现,也随之出现新的解答钥匙。
可能有一层氢气覆盖了部分或全部的太阳圈,其对太阳圈的作用尚未被破译。另外, 太阳圈似乎正在穿越银河系中一个由远古宇宙事件遗留下来的粒子和尘埃组成的星际云团,即天文学所谓的本星际云团。本星际云团对太阳圈边界,以及生活在其中的地球生命有何影响,亦有待研究。
本星际云团可以改变太阳圈的大小和形状。它可能有不同的温度、不同的磁场、不同的电离体和所有这些不同的参数。这令人非常兴奋,因为这是一个未知数很多的领域,而人类对太阳和本星系(即银河系)之间的相互作用还知之甚少。
最后值得一提的是,“旅行者”1号和2号飞船都携带了一张镀金铜质磁盘唱片,里面含有来自地球的图片、声音,在封面上有符号及图示说明如何操作这张唱片并详细指示地球所在的位置。
“旅行者”唱片的问候语为:“行星地球的孩子(向你们)问好”。时任美国总统吉米·卡特则代表人类说:“这是一份来自一个遥远的小小世界的礼物。上面记载着我们的声音、我们的科学、我们的影像、我们的音乐、我们的思想和感情。我们正努力生活过我们的时代,进入你们的时代。”
这些讯息被组合成一个时间囊,取得这张金唱片的任何一个星际文明、外星人,甚至未来的人类,都能还原“旅行者”计划的讯息。
问题是,根据《三体》里的宇宙“黑暗森林”法则,假如向掌握了先进文明的外星人暴露地球坐标,人类会否遇到灭顶之灾?
但不管怎样,“旅行者”号这两艘体积宛如小 汽车 、由金属螺栓连接在小型抛物面天线上的飞船,将为人类未来能有一天冲出太阳系充当领航先锋,勇敢闯入了前方那壮丽而陌生的未知星海。在人类 探索 无垠太空的漫漫征途上,它们就像“船队满载着持灯的使者,逼近黑暗的细节”……
[img]旅行者号飞了185亿公里,发现宇宙物质越来越多,怎么回事?说起 科技 的进步和发展,就必然会说到宇宙的 探索 ,对于宇宙的 探索 ,其实很多人都不会有太多的了解。大多数人仅限于知道人类现在已经能够登陆月球,还能 往火星上派送无人探测车给火星拍照 。
但相信很多人都不知道, 人类制造的无人飞船已经飞离太阳系了 (以海王星运行轨道为界),当然的一般人对太阳系的大小没有一个准确的认识,按照我们平时看到的太阳系模型, 太阳系的边缘行星海王星与地球的距离似乎并不怎么远 。
实际上,由于真实的太阳系比例太过夸张,打个比方, 假设太阳是一个放在足球场中间的足球,而地球则是太阳旁边的一个小小的玻璃球 ,从这个玻璃球上,发射出一粒尘埃,经历漫长的距离和时间后,这个尘埃竟然被扔出到足球场之外了。
这本身是一件值得全世界人类庆贺的事情,因为这说明人类的宇宙 探索 能力再进一步了,但遗憾的是, 在飞船在离开太阳系后,却发现宇宙外的太空物质数量越来越多 。
但是科学家们会因为这个新发现感到失落,原因很简单,宇宙物质数量增加这个情况意味着 人类 探索 星际空间的难度将会增加许多倍 。
计划飞出太阳系的飞船有好几艘,其中最为著名的就是 旅行者一号和二号 这两个孪生兄弟飞船,它们完美完成了 系内行星近距离 探索 任务 和 突破被太阳风包围的日球层 。
这两艘飞船都是上个世纪七十年代发射到宇宙中的,它们任务很简单,就是 前往那些质量远超地球的行星进行近距离观察 ,同时借助行星的超强重力获得 加速度 ,借助增加的速度 往太阳系的更外围飞去 。
因为仅仅凭借火箭的推送能力,人类 无法在地面就将飞船加速到足够摆脱太阳重力的程度 ,离开地球后,飞船也无法携带能源获得持续加速,我们可以将这两艘旅行者号飞船当成是被弹弓打出去的石子,离开地球后,就 很难让它的速度增加 。
所以科学家们利用了质量庞大的木星土星等行星,将飞船瞄准了这些行星,直接 将飞船发射到行星的引力范围中 。
最初的一站是木星,在接近木星后,飞船为木星拍照,使用携带的十数种高 科技 仪器, 将木星的相关信息都收集起来 ,最早获得这些行星近距离照片的就是旅行者号,至今我们看到的木星照片还是它们拍的那些。
收集信息只是顺便的,在信息收集完毕后,飞船会收起仪器,使用自身携带的 核能电池 ,调整飞船的方向,让飞船靠近引力巨大的行星, 行星的引力让飞船加速坠落,获得这增加的速度后,飞船再次调整方向,往更远离太阳系的方向飞去 。
每一次靠近行星,都能让飞船的速度增加速度,所以正常情况下只要利用土星和木星的重力进行加速,就已经能 达到第三宇宙速度16.7公里每秒 。
只有达到这个速度才能离开太阳重力的束缚,不然飞船将会像小行星一样,围绕太阳一圈一圈的飞行,最终 坠入太阳 。
离开太阳的路程并不短,120天文单位,1天文单位等于太阳与地球之间的距离1.5亿公里,也就 180亿公里 ,用光速走这段距离需要16.66小时,而飞船与地球之间的通讯就是使用光速的电磁波进行,所以 飞船发射的信号需要十六个小时才能送达地球 。
当然两艘旅行者号飞船的速度都不可能达到光速,实际上它们的速度基本都是17公里每秒左右,与光速30万公里每秒相差一万多倍。换言之, 两艘旅行者号需要用16.6小时的两万多倍时间才能到达太阳系边缘。
当然这只是飞船的走直线距离才能有的速度,飞船需要 借助沿途行星加速,还要收集信息 ,因此两艘飞船实际上都用了 四十多年 才到达太阳系边缘。
脱离太阳系边缘后,科学家第一时间开启飞船的高 科技 探测仪器, 经过四十多年的航行,飞越185亿公里,原本飞船带的十几个仪器都已经损坏一大半了 ,都只剩下四五个仪器可以使用,其中有一个最为重要的仪器—— 宇宙射线探测系统 ,这个系统为科学家们展现了一个真实的星际空间。
在我们平时的观念中,只要离开地球大气层就算是进入了太空之中,但实际上 地球周围的宇宙空间并不是宇宙太空的正常状态 。
因为整个太阳系都被太阳风所包围着,太阳风并不是我们生活中感受到的那种空气流动产生的风,而是在 太阳中心核聚变反应堆中发射出来的等离子体 ,这些等离子体实际又是 由质子和电子组成的 ,太阳风 以太阳为中心向外扩散 ,在宇宙中形成一个 泡泡一样的太阳风环境 。
这个泡泡就是旅行者号要突破的 日球层 ,正是因为有这个泡泡的存在,大量的宇宙射线被阻挡在太阳系之外。
所以在日球层之外的宇宙,才是真正的宇宙空间,在真实的宇宙空间中, 存在着大量斑驳的宇宙射线和粒子 ,除此之外,在太阳系外的空间中, 拥有质量的小分子密度大幅上升 。
这两个变化,让致力于太空 探索 的科学家们感到十分的失落和难受,因为这意味着 宇宙中物质的密度并不小 ,起码比太阳系内部要大,在这样的密度中, 想要往更深处的宇宙 探索 ,难度将会骤增。
曾经有一个段子,讲的是如果一滴水从万米高空落下,在重力的加速下,被砸中的人会不会受伤呢?
如果有人要拿起笔计算水滴的加速度,那么这道题就做错了,因为大家都淋过雨, 万米高空落下的雨滴并没有任何威力 。
这是因为在水滴落下时,重力固然会为其一直提供加速度,但 空气阻力其实也会为其减速 ,速度越快的物体受到的空气阻力就越大, 当空气阻力与下落速度达到平衡时,物体的落下速度将不会继续增加。
质量越轻的物体获得的加速度就越小,往下的掉落的速度就越慢,所以雨滴不会砸伤人。
在宇宙中这个最基本的物理规则也同样能起作用。虽然在太空中没有空气,但是宇宙射线粒子和空间中的分子,我们 可以将其看作是超级稀薄的空气 。
在正常情况下这些粒子和物质 不会对我们有任何影响 ,就像我们生活在空气中也几乎不会感受到空气的阻力一样,但是 当速度提升起来之后,这些宇宙物质就会开始作怪 。
在空气中想要将飞机加速到超音速都会产生出一个强大的 空气音障 。音速仅仅是数百米每秒而已,在宇宙中航行的飞船速度远超这个数字,比如旅行者号都是音速的数十倍。
宇宙物质的虽然增加了,星际空间也还是十分接近于真空,所谓的物质增加也不过是 每立方米空间中增加了一两个原子 了而已。所以只有十几公里每秒的速度也不会受到任何影响。但问题是 ,万分之一光速的速度在宇宙中几乎无法到达任何地方。
想要去往附近的星系,飞船最起码要达到百分之一光速的程度,也就是 比旅行者号飞船的速度还要快一百多倍 ,当速度增加到这个程度后,星际空间中那稀疏的宇宙物质就会开始对飞船产生 不良影响 。
我们知道,速度是相对的,飞船撞到原子其实也相当于 原子撞向飞船 ,而即便是一粒微小的原子,被加速到近光速的程度后,也会产生 巨大的能量 。
就像空气阻力只能对雨滴减速,但却能让陨石快速燃烧并完全烧化,所以宇宙物质与光速飞船的作用并不是减速,而是 破坏 。
宇宙物质遇到低速的飞船是无害的,遇到高度行进的飞船时, 飞船会迅速被击穿,微小原子有可能会产生原子核裂变,释放出巨大的能量 。
这个能量要么将飞船炸烂,要么将撞击到飞船物质的原子使其分裂,导致 核裂变连锁反应 ,于是整个飞船就都成为了一颗核弹,在星际空间中形成一颗闪亮且短暂的小太阳。
简单来说,这些宇宙物质就是我们提升速度的最强禁锢,让我们 探索 宇宙的希望变得更加渺茫,毕竟以现在万分之一光速的速度前行, 去往最近的比邻星都需要两三万年 ,这根本就是不可能到达的距离。
解决问题的办法其实并不是没有,只是现在的技术基本都不可能做到。在天空中飞翔的飞机,为了解决空气阻力的问题,使用了 流线型造型 和 坚固的钢铁外壳 作为保障就能顺利翱翔于蓝天。
所以我们也可以沿着这个思路,制造一个能够抵御光速冲击的新物质,或者设计一个 能完全避开这些微小颗粒的防护层 ,那么 这些宇宙物质将不会再成为飞船加速的困扰 。
比如从原子层面组建出一个高强度的材料,大概就是纳米材料的超级进阶版,或者 设计一个磁场发射器,将所有高能粒子和宇宙物质阻挡在外 。
除了这个解决办法,我们还可以考虑曲线救国的思路,要加速到光速,目的还是为了 探索 宇宙,到达遥远的天体而已,如果有别的办法直接前往这些天体,就不需要想办法加速还有解决宇宙物质对速度的限制了。
比如曲率加速飞船,通过扭曲空间的方式前进,实际上速度是零,但却能 跨越遥远的空间 。或者 穿越虫洞 ,直接 在空间中跳跃 ,速度和距离再也不成问题。
现在的情况是,我们越 探索 宇宙越发现宇宙的浩瀚和广阔, 宇宙 探索 的难度直线上升 ,但是只要人类还存在于宇宙一秒钟,就一定会想办法突破这些问题。
人类发展到现在的 科技 水平,也 只是用了一万多年的时间 ,现代 科技 的出现和发展更是只有数百年的 历史 ,在未来的遥远时光中,一切问题都有可能解决的。
2022年旅行者号飞到哪了到了太阳顶。根据查询旅行者号的相关信息得知,2022年旅行者号飞到了太阳顶。截止2022年2月27日,旅行者1号到达了太阳顶,距离地球约240亿公里。
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