迄今為止,人類共向宇宙空間中發射了5顆星際探測器(也叫深空探測器),它們分別是1972年發射的先驅者10號、1973年發射的先驅者11號、1977年發射的旅行者1號和2號、2015年發射的新視野號探測器。在這其中,大家更為熟悉的應該是旅行者1號,因為它是目前為止距離地球最遙遠的探測器(雖然旅行者2號率先發射,但1號“后來居上”)。不過旅行者2號的功勞并不比1號少,而且通過它傳回的數據,還讓科學家們知道了一個重大的事實。
旅行者2號的軌跡
旅行者2號于1977年8月20日,在美國肯尼迪航天中心順利發射升空。在隨后的9月份,旅行者1號也發射升空。其實,一開始旅行者2號并不是叫這個名字(按照常理,先發射的肯定不能稱為2號,應該是1號才是),而是作為以探測火星、金星和水星為主要目標的“水手計劃”的一員,名字都起好了叫“水手2號”。不過后來計劃有變,待旅行者1號發射后沒多久,將“水手2號”的探測目標更改為探測遙遠的木星和土星,因此跟隨旅行者1號的腳步,以“旅行者2號”的身份轉移了運行軌跡。
旅行者2號和1號,分別以不同的運行路線來到木星和土星的軌道,對這兩顆行星及衛星開展了深入的探測。由于2號的加入,1號身上的擔心一下子輕了,因此1號在探測完木星和土星后,就按照人類下達的指令,利用引力彈弓效應直接飛向了太陽系的邊緣,從而將太陽系邊緣的其它行星以及柯伊伯帶控制的任務留給了2號。
旅行者2號在探測完成木星和土星后,也利用引力彈弓效應,從土衛六上飛往天王星和海王星,分別于1986年和1989年完成了對兩顆行星的探測。正是通過旅行者2號的探測,使得兩顆遙遠的太陽系行星表面狀態、海王星表面神秘大黑斑等情況,直接呈現在了世人面前,同時旅行者2號還在沿途發現了太陽系行星的16顆新衛星,成為迄今為止探測行星和衛星數量最多的探測器。
2008年,旅行者2號傳回的數據表明,它已經到達了日球層的邊緣,也就是太陽風粒子能夠到達的最遠之處,如果按照太陽粒子所能影響到的范圍來衡量太陽系的大小,那么此時的旅行者2號已經來到了太陽系的邊緣。讓科學家感到驚奇的是,此時旅行者2號傳回的數據,顯示出所經過的宇宙空間,溫度高達4萬多攝氏度,就像到達了一個被“火墻”圍住的空間。
這個“火墻”到底是什么?
其實,在2018年旅行者2號到達這個“火墻”區域之前,旅行者1號也搶先一步到達這個范圍(只是方向不一樣),但由于1號和2號所攜帶的儀器設備有所不同,當時傳回的數據并沒有引起科學家的關注。2號探測器上由于攜帶了可以專門用來監測太陽粒子以及捕捉其它宇宙射線的設備,所以傳回的數據通過地面控制中心分析,繼而判斷出了2號行進路線中的各種情況。而“火墻”產生的區域,距離地球約為180億公里。
通過科學家們的深入分析,認為這個“火墻”是由太陽風粒子與來自外界的星際輻射粒子相互“碰撞”所產生的。從太陽發生的高能粒子,以“太陽風”的形式向宇宙空間的四面八方擴散,當有天體在行進的路線上時,這些高能粒子要么直接被吸收,要么被天體磁場引導反彈或者在磁兩極聚集。沒有被吸收的部分,則會以新的線路繼續傳播,直至來到太陽系的邊緣。
隨著高能粒子與太陽距離的逐步加大,粒子的能量密度會隨之減弱,當到達一定程度之后,就會與來自太陽系外的星際粒子勢均力敵,從而在“對沖”的作用下,大量粒子在這個區域內發生“聚集”,形成了一道“高能粒子墻”,包裹在太陽系的外圍區域。科學家將這個區域命名為“太陽風層”,這是太陽高能粒子所能到達的最遠邊界。
正是由于這一堵“墻”的存在,使得來自太陽系之外的星際高能粒子,很難侵入到太陽系的內部,科學家估測大約有70%的星際輻射粒子被擋在“墻外”,對太陽系內特別是地球磁場和大氣層的穩定、生命的形成和發展起到了重要的保障作用。
如此的高溫,旅行者2號沒事吧?
在正常的情況下,4萬多攝氏度的溫度的確是非常高的溫度,比如太陽表面的溫度才6500攝氏度,科學家們推測,如果飛行器在接近太陽一定距離后,會因高溫在短時間內發生氣化現象。那么,旅行者2號穿越這一道4萬多攝氏度的“火墻”,是不是灰飛煙滅了呢?
當然不是。我們可以從溫度的概念來解釋:溫度是人們用來衡量微觀粒子運動劇烈程度的一個物理量,也就是說微觀粒子運動速率越快,那么表現出來的溫度就越高,也就是說當100個粒子和1000個粒子運動速率完全一樣時,那么表現出來的溫度是一樣的,但是從整體來看,1000個粒子構成的系統所具有的總能量,肯定要比100個粒子的系統高。這與我們能夠在60度的汗蒸房里扛上挺長時間,而到60度的熱水中就很難堅持,是一樣道理。
在180億公里處,星際空間中的物質密度極低,即使微觀粒子的運動速度很快,但由于數量非常少,所以“搞不起什么波瀾”來,形成不了實質意義上的“屏障”,所以旅行者2號所受到的“熱量沖擊”其實是非常小的。這也從2018年年底,地面繼續接收到來自2號發回的信息,此時的數據顯示周圍環境中的輻射粒子濃度,已經大幅下降,表明2號已經順利、安全地穿過了太陽風層這個“火墻”。
人類能掙脫太陽系“牢籠”嗎?
由此可見,包裹住太陽系的“火墻”,根本束縛不住深空探測器的行進,當然更阻擋不了人類深空探測的腳步。但是,從目前人類的科學技術水平看,速度是人們向太陽系外邁出腳步最大的瓶頸問題。
如果以太陽系有效的引力范圍來看,太陽系的半徑為2光年,而以目前旅行者1號和2號平均每秒14公里的行進速度,要脫離太陽系范圍,從地球算起至少需要2萬年的時間,人類壽命區區不過百年,如果按照這個速度行進的話,想要走出太陽系絕無可能。
除非我們對探測器和飛船的動力系統進行革新,近期以可控核聚變為能量輸入,理論上可以將燃料推進式載荷速度提升到光速的10%,屆時突破太陽系只需要20年,但是何時能夠實現能量輸出大于能量輸入的可控核聚變技術,還不能確定,但是應該不會太久。
但是,如果以這個技術來進行星際旅行的話,速度還是太慢,比如到達最近的恒星-比鄰星,需要80多年,到達天狼星需要17年,到達織女星需要54年。銀河系的直徑在20萬光年,如果我們要飛出銀河系,以這個速度顯然仍是“龜速”。
因此,宇宙空間的宏大,是任何時候的我們都不能想象的,然而,正是這種對未知領域的渴求,成為不斷推動人類科技和文明提升的根本動力。