旅行者1號推進器沉睡37年被喚醒 人類首次在太陽系邊緣星際空間啟動發動機

最近，美國國家航空航天局（NASA）又幹了一件大事。今年40歲的「旅行者1號」航天器，在太空深處的成功點火測試了一組航跡修正推進器，而這組推進器已經「沉睡」了37年後。這是人類首次在太陽系邊緣的星際空間啟動發動機。

NASA網站發布的新聞截圖

「旅行者1號」（Voyager 1）是NASA飛得最遠、速度最快的航天器，2012年，它離開太陽系（太陽系邊緣的標準附後文）進入星際空間，是目前飛進恆星際空間唯一的地球人造物體。

這顆1977年9月5日從地球出發飛行了40年的航天器，基本靠調姿推進器來定向。這些推進器以微小的脈衝方式，像喘口氣那樣，幾毫秒就能啟動，然後讓飛船方向稍微旋轉，使其天線始終指向地球，與地球指揮中心保持通信。

但自2014年以來，工程師們注意到，調姿推進器開始老化，隨著時間的推移，需要更多次「喘息」才能釋放跟以前相同的能量。然而遺憾的是，在距離地球210億公里的地方（約合141.3個天文單位），並沒有負責保養的「航天器4S店」。

項目團隊召集了一個推進器專家組來研究這個問題。他們分析預測了航天器在不同場景下的響應情況，最後同意用一種不同尋常的方法來拯救「旅行者1號」——喚醒沉睡37年之久的一組4台航跡修正推進器（TCM）。

TCM被放置在航天器背面，尺寸和功能與調姿推進器完全相同。在任務初期，「旅行者1號」飛越太陽系木星、土星等重要衛星時，工程師們通過TCM使航天器按設定軌跡飛行。但自1980年11月8日以來，它們進入了休眠狀態。

NASA噴氣推進實驗室首席工程師克瑞斯·瓊斯說：「團隊挖掘了數十年的數據，檢查了用過時的彙編語言編寫的軟體，以確保安全地測試這種將用於定向飛船的推進器。」

11月28日，位於加利福尼亞州的工程師們首次點燃了沉睡37年的TCM，測試了其使用10毫秒脈衝定位飛船的能力。因為距離遙遠，當測試結果通過太空傳回地球時，他們已經急切地等待了19小時35分鐘——29日，團隊確認TCM工作狀態與調姿推進器同樣完美！工程師陶德·巴伯說：「重啟這些推進器，就像手握神奇的指揮棒，我們非常興奮。對這一選擇的質疑現在已煙消雲散，我們鬆了口氣。」

「旅行者」項目經理蘇茲·多德表示：「這組推進器在37年後仍能正常使用，可將『旅行者1號』的使用壽命延長2年到3年。」NASA計劃在明年1月切換使用這組航跡修正推進器。

這張照片拍攝於1975年10月29日，工程師們正在參與制作旅行者號的高增益天線。

據介紹，團隊下一步計劃對「旅行者2號」進行類似的測試。「旅行者2號」是「旅行者1號」的姐妹探測器，也在1977年發射，雖然它的調姿推進器性能還不錯，工作正常，但未來幾年，它也將進入星際空間，並面臨同樣的定向能力下降帶來的挑戰。「旅行者2號」先發射，但由於選擇的飛行軌跡不同，將永遠落在「旅行者1號」身後。

這組強大的MR-103型推進器由全球領先的推進系統製造商洛克達因（Aerojet Rocketdyne）公司研發，「卡西尼」號和「黎明」號探測器用的也是它。

「旅行者1號」和「旅行者2號」攜帶了兩張相同的「金唱片」，這兩張12英寸的鍍金銅碟裡面有來自60種語言的問候語，來自不同文化與時代的音樂樣本，還有地球上各種各樣自然與人造的聲音。碟片里還有一些電子信息可以被先進技術文明轉化為圖解與相片。碟片的鋁封套是用來保護唱片免受微隕石的轟擊的，同時還有個提示發現者播放唱片的雙重目的。因為擔心封套外表面的圖解會被時間侵蝕，因此封套內外都繪製了解釋圖表。這兩張「金唱片」在不出意外的情況下可以保存10億年。

「旅行者」攜帶的「金唱片」

觀察者網綜合科技日報、NASA網站、新華社等報道

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茫茫太陽系，何處是邊界

太陽日球層示意圖

科技日報記者 徐 玢

9月5日，「旅行者1號」迎來了40歲生日。1977年在美國佛羅里達發射升空後，它對木星和土星展開了探測，而後向宇宙深處進發。

地球與太陽相距1.5億公里，天文學家將它稱作1個天文單位。在40年的時間裡，「旅行者1號」已經飛過約140個天文單位。該如何看待這個距離？有報道稱，「旅行者1號」早已飛出太陽系。但意見並不統一。有人認為這個距離不到太陽系半徑的1/400，飛出太陽系還需30000年。

太陽系的邊界到底在哪？太陽繫到底有多大？

以行星軌道為界， 海王星運行在最邊緣

美國國家航空航天局（NASA）曾經表示，太陽系的邊界有三種定義方式，其中之一是以行星軌道為界。按照這種定義，人類眼中的太陽系是逐漸增大的。

十七世紀，哥白尼提出的日心說逐漸被觀測所證實。人們開始意識到，太陽周圍繞轉著許多顆行星，地球不過是其中之一。在很長一段時間內，土星是人們能看到的最遠行星，也代表著太陽系最遠的疆域。

1781年，熱忱的天文觀測者赫歇爾通過觀測確認，天王星是太陽系的第七顆行星，雖然之前的觀測者已經多次觀測並記錄過這個天體。這一發現，將太陽系的範圍擴大了一倍。

隨後，海王星、冥王星被逐一發現，更新著人們對太陽系的認識。如果以行星軌道來界定太陽系邊界，人類目前所知的太陽系最大不過如此。

在冥王星被踢出行星大家族之後，海王星是目前已知距離太陽最遠的行星，它運行在距離太陽30個天文單位的軌道上。早在1990年，「旅行者1號」便飛過這顆行星的軌道，並發回了地球照片。抵達這一距離的探測器也不僅僅是「旅行者1號」和 「旅行者2號」。比如「新視野」號早已探訪過冥王星，目前正飛往柯伊伯帶的小行星。

但這種定義方法的缺點顯而易見。「在海王星的軌道之外，還有很多天體，比如彗星、小行星。如果不是太陽系成員，它們又是什麼？」南京大學天文與空間科學學院教授陳鵬飛說。

而且，用這種方法來定義太陽系邊界也有很大的不確定性。2006年，冥王星被降級為矮行星，太陽系的範圍瞬間縮減。另外一方面，充滿好奇心的科學家並不滿足於太陽系只有八顆行星。他們寄望於長期的觀測和先進的技術能發現太陽系第九大行星。一旦成功，太陽系的邊界也將再次改變。

以太陽風為界， 日球層頂包裹著太陽系

2013年秋季，世界各大媒體爭相宣布一個消息：「旅行者1號」飛出了太陽系。這時人們眼中的太陽系是日球層頂以內的空間。人們以太陽風的範圍為標準，定義太陽系邊界。

恆星之間的空間並非空無一物，而是充滿了低溫的星際介質粒子。太陽會不斷向外吹出帶電粒子，稱為太陽風。所謂日球層，是太陽風發生作用的最大範圍。當高速的太陽風粒子與星際介質粒子相遇時，會將其向外推開，自身也逐漸減速，直至無力與星際介質粒子抗衡。形象地說，日球層就好像太陽風向外吹出的一個氣泡，日球層之內充滿了太陽風粒子，在它之外則是由星際介質粒子主宰的星際空間。而日球層的最外層邊界被稱為日球層頂。

「由於太陽以220公里/秒的速度在銀河系中運動，日球層並非對稱的球形，」陳鵬飛說，在太陽運動方向的日球層最薄，約為100天文單位，在太陽運動的反方向這一厚度能達到500天文單位以上。「『旅行者1號』正是沿著太陽運動的方向飛行，穿越了日球層頂。」

2012年8月和2013年4月，「旅行者1號」記錄下2次太陽風粒子與星際介質粒子的劇烈相遇。科學家由此推測出太陽風粒子濃度相較於2004年已下降1000倍，星際介質粒子密度則上升了40多倍。在經過反覆模型推演後，NASA於2013年9月12日宣布，「旅行者1號」已經穿越了日球層頂。

雖然NASA很謹慎地指出，關於太陽系邊界有多種定義方式，因此「旅行者1號」的行為可以嚴謹地描述為進入星際空間，而不是飛出太陽系。但對此，仍有不買賬的科學家。他們時不時地發表論文表示異議。因為飛出太陽日球層、進入星際空間有三個條件：來自太陽的帶電粒子數量急劇下降、星際介質粒子的數量急劇增多，以及磁場方向的偏轉。很遺憾，「旅行者1號」始終沒有探測到磁場方向的偏轉。

「沒有探測到磁場方向的偏轉並不能否定『旅行者1號』飛出日球層。太陽相對星際介質的運動速度比預想的小，也許不足以在日球層頂產生激波。這導致磁場方向在日球層頂附近緩慢變化，而不是以前猜測的劇烈變化。」陳鵬飛說。因此，如果將日球層頂作為太陽系的邊界，根據「旅行者1號」的測量，太陽系的邊界在距離太陽100天文單位之遙。

以引力範圍為界， 奧爾特雲是最遙遠的疆域

更多的天文學家願意根據太陽的萬有引力來定義太陽系邊界。也即如果一個天體主要受到太陽引力的作用，圍繞太陽運動，那麼它就是太陽系天體。按照這個標準，太陽系八大行星、日球層以及遙遠的小行星與彗星都在太陽系範圍內。

但太陽引力發生作用的最後邊界在哪裡？「在太空中某一地方，太陽引力和臨近恆星的引力會達到平衡，這裡便是太陽系的邊界。」南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇說。

1950年，荷蘭天文學家奧爾特提出，在太陽系遙遠的疆域有一片冰冷的「雲團」，孕育著1000億顆長周期彗星。它被稱作奧爾特雲，一直延續到距離太陽50000—150000天文單位的區域。這裡是太陽引力束縛天體作圓周運動的最後區域，也即太陽系邊界。「旅行者1號」需要30000年飛出太陽系，正是基於「旅行者1號」每年約3.5天文單位的飛行速度以及奧爾特雲延伸至100000天文單位的假設。

奧爾特雲過於遙遠，沒有探測器到過這裡，更沒有人見過它。但這並不意味著，它完全是想像。

天文學家把從柯伊伯帶向外到10000天文單位左右的空間稱為內奧爾特雲。「過去天文學家認為內奧爾特雲是空的。但隨著觀測手段的提升，發現並非如此。」周禮勇說，2003年科學家發現小行星賽德娜，它與太陽最近的距離是76天文單位，但由於軌道很扁，遠日點接近1000天文單位，位於內奧爾特雲區域。「像這樣的天體至少已經看到10多個，而實際上會更多。」

如果將奧爾特雲視作太陽系的邊界，我們永遠無法看到「旅行者1號」飛出太陽系的那一天。因為攜帶的同位素電池僅有40多年的壽命，「旅行者1號」將從2020年開始逐漸關閉所搭載的儀器。2025年，它將關閉所有的儀器，切斷與地球的聯繫。

但140個天文單位的飛行距離，已經讓它躋身人類飛得最遠的探測器。而「旅行者1號」攜帶的「地球之音」光碟刻有人類文明的種種信息，特殊處理讓它足以抵禦10億年時光的侵蝕。

「旅行者1號」是目前人類飛得最遠、速度最快的航天器，也是目前飛進恆星際空間唯一的地球人造物體。