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航海家二号传回目前为止太阳系边缘最详细的数据(NASA/Goddard/Walt Feimer)

宇宙有边吗?太阳系的边缘在距地球19300000000公里的地方

【希望之声2019年12月31日】(编辑:田喆)宇宙有边吗?为扩大搜寻整个宇宙,上世纪60年代,美国航太总署(NASA)首先提出「行星之旅计划」(Planetary Grand Tour),有意发射一对无人探测器、飞越所有的外行星,向外探索外太空与太阳系边陲的所有星体,为人类描绘出更大范围的宇宙样貌。

正巧碰上176年一遇的行星几何排列,美国航太总署(NASA)分别于1977年8月与9月,在佛州卡纳维尔角基地(Cape Canaveral),以泰坦3号E半人马座火箭(Titan IIIE),让航海家二号与一号发射升空。

什么是行星几何排列?只有经过一定时间的运行,各大行星才有可能出现太阳的同一侧较小的角度范围之内,从而出现所谓的“行星连珠”现象。在上个世纪70年代末80年代初,太阳系中的四大巨行星出现了罕见的几何排列方式,这使得太空飞船可以沿着特定路径从一颗行星飞到另一颗行星,不需要多少的燃料就能改变飞船的航向,并且还能利用行星的引力弹弓效应进行加速。在这种情况下,飞向海王星只要12年,而不是通常的30年。

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行星连珠( NASA/JPL)


虽然二号早一个月出发,但根据轨道和任务设定,它走了一条较慢的路途,进入轨道后借助行星间引力,让太空船能大幅缩减航行时间,不仅成为成为了第一艘造访天王星和海王星的探测器,更借由176年一遇的行星几何排列「机遇」,完成造访四个巨行星(木星、土星、天王星及海王星)的任务。

航海家一号带着人类向外星生物表达人类的问候

航海家一号在航行途中由于受惠几次行星重力助推,(所谓的重力助推(gravity assist;也被称为重力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。重力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。)导致飞行速度加快(比现在任何一台探测器都还要快),因此率先于 2012 年 8 月飞出太阳系。

速度较快的航海家一号,自从2012年进入星际空间后,其航行轨道已无法返回地球,目前距离约为146.7天文单位(AU)(1AU大约等同地球至太阳的距离,也就是大约1.496亿公里,光的传播需要499秒(8.3分钟),是最遥远的太空船。

其寿命已远远超乎当时科学家的预期,2017年成功远端重新点火,让探测器能有足够电力与地球端通讯,最晚约在2030年前后,航海家一号将完全失去电力支持,切断与地球的联系。飞出太阳系后只有放射性同位素温差发电机可以用了,这就是一个小型核电池。旅行者号失去电力供给后和普通的陨石没什么区别,靠惯性往宇宙深处前进,最终可能会撞上某个天体或被其引力捕获而坠毁。

特别的是,科学家在航海家1号太空船舱内,放了一张12英吋厚、镀金表面的铜质磁碟唱片,内容包括55种人类语言录制的问候语:「行星地球的孩子(向你们)问好」和各类音乐,向外星生物表达人类的问候。

语言分类中,包含古代美索不达米亚阿卡得语等冷僻语言,还收录了4种中国方言(国话、粤语、闽南语、吴语)。

航海家二号传回目前为止太阳系边缘最详细的数据

日前,据《卫报》(The Guardian)报导,已航行42载的「航海家二号」探测器(Voyager 2),继2018年进入星际空间(interstellar space)后,再次传出令科学家振奋的好消息,成为继姊妹舰「航海家一号」(Voyager 1)之后、从星际空间回传讯号的探测器,现在距离地球约 193亿公里远。为未来解密整个太阳系或宇宙样貌,提供更多宝贵资料,让科学家得以揭开星际空间的神祕面纱。

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航海家一号与航海家二号离开太阳圈之后的位置(NASA)


航海家二号在去年穿越日球层顶(heliopause),成为史上第2个离开太阳圈的人造物体,并传回目前为止太阳系边缘最详细的数据,且仍持续回传数据,数据需要延迟16个小时后方能传到地球。航海家一号航海家二号预计会继续运行约5年,直到电池耗尽。

在太空航行41年,与姊妹舰只差一个月升空的航海家二号,却足足晚了6年才进入星际空间。但它的旅程中,为科学家提供天王星(Uranus)和海王星(Neptune)最清晰的特写照片。


主导航海家二号计划的加州理工学院(California Institute of Technology)物理学教授史通(Edward Stone)难掩兴奋地说,航海家二号能穿越太阳圈,他感到惊讶:「(当年)我们根本不知道整个太阳系的范围有多大,更不确定探测器能否支持那麽久,能抵达太阳系边缘地带、甚至进入更远的星际空间!」

太阳圈是太阳能支配或控制的太空区域,太阳圈的边缘是一个磁性气状泡,维护着这个气状泡的是从太阳表层大气喷发的带电粒子流(电浆),称为“太阳风”,而太阳风遭遇到星际介质而停滞的边界称为日球层顶或太阳风层顶,而这个边界被认为是太阳系的外层边界。

《自然天文学》(Nature Astronomy)4日刊登的研究指出,航海家二号遇到的太阳圈边界比航海家一号遇到的边界来得更薄且更平滑。这可能是由于航海家一号在太阳极大期(solar maximum,指太阳活动最频繁的时期,而目前处于太阳活动低落时期),穿越了太阳圈边界,另一个可能的原因是航海家一号可能越过了一条较不垂直的轨道,导致在太阳圈边界花费了较长的时间。

航海家二号传回的数据还引起关于太阳圈整体形状的争论,一些模型预测太阳圈应该是球状,一些模型预测它的形状是像风筒,而最新的测量结果显示,太阳圈的形状比较接近球状。

太阳系有边,那么宇宙是否也有边呢?

责任编辑:田喆

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