宇宙空间漫游指南旅行者号在发射几十年后仍在突破障碍

　　旅行者1号和2号继续它们在星际空间的史诗般的旅程，他们解决了过去的争议，甚至引发了一个新的争议：日球层的真实形状。
　　四十多年前发射的两艘旅行者号宇宙飞船一直在扩展我们的视野。旅行者1号和2号在上世纪70年代末和80年代飞过了这两颗巨行星（木星和土星）后，现在已经远远超过了它们所有的行星目标，旅行者1号飞过的行程比地球到海王星的距离远5倍多，旅行者2号紧随其后。位于加州洛杉矶附近喷气推进实验室的飞船项目经理苏珊娜·多德（Suzanne Dodd ）说：＂对旅行者来说，每一天都是一个新纪录，＂
　　马里兰州罗瑞尔的约翰霍普金斯大学旅行者号研究员斯塔马蒂奥斯·汤姆· 克里米吉斯（Stamatios Tom Krimigis）说：＂在我最疯狂的梦想中，我从来没有想过在我们写了这个提案之后，我还会在旅行者号上工作了50年。＂
　　在过去的十年里，这两艘宇宙飞船都到达了一个新的领域，进入了星际介质：充满恒星之间广阔空间的稀薄物质。在那里，宇宙飞船继续有新的发现。
　　星际磁场的强度和方向让研究人员感到惊讶，新的数据甚至引发了关于日球层(太阳的磁域)的几何形状和活动的争议。日球层是彗星的形状，正如长期以来所假定的那样，还是更加球形呢？当太阳黑子盈亏时，它是会膨胀和收缩，还是会更稳定？宇宙飞船提供了一些诱人的线索。
　　长途旅行者
　　旅行者2号于1977年离开地球，旅行者1号紧随其后。他们不是第一个到达最近的巨型行星的宇宙飞船，首个到达的宇宙飞船的这一荣誉属于先驱者10号和11号。但是＂旅行者＂号比＂先驱者＂号更复杂，有许多惊人的发现。
　　旅行者1号比旅行者2号走了一条更短的路线，于1979年第一次到达木星，发现木星的彩色卫星木卫一上爆发着火山。1980年，旅行者1号快速飞过土星，在土星环中发现了错综复杂的细节，并在土卫六周围发现了地球之外的第一个氮气大气层。旅行者2号选择了更优美的路线，1979年访问了木星，1981年访问了土星，然后在1986年和1989年冒险穿过天王星和海王星。旅行者2号提供了绿色和蓝色行星的绝佳照片，并在海王星的大卫星海卫一上发现了间歇泉。
　　飞船随后驶向星际空间。正如天文学家所定义的，星际介质开始于太阳风——太阳末端流出的带电粒子。这种电离气体，或等离子体，挤压着在其周围流动得更冷、密度更大的星际等离子体，就像一块卵石挡住了水流中的水。被太阳雕刻出来的洞被称为日球层，其边缘被称为日球层顶，就像地球的对流层顶部被称为对流层顶一样。
　　当旅行者号发射时，爱荷华市爱荷华大学的旅行者号研究员唐·格内特（Don Gurnett ）说：＂我们真的不知道日层顶有多远。＂一些人认为日球层顶可能和木星一样近，距离太阳的距离只有地球的5倍。随着宇宙飞船不断向外加速，到日球层顶距离的估计数也在不断上升，它当然不是在木星、土星、天王星或海王星上。结果，没有人知道旅行者何时何地会进入星际空间。
　　在与海王星相遇后不久，格内特声称旅行者号在遥远的地方瞥见了日球层顶的迹象。1992年7月，两架旅行者号开始探测到频率在2千赫兹到3千赫兹之间的强无线电波。格内特和他的同事将这些无线电波归因于一年多前太阳上爆发的6个大耀斑。
　　研究人员说：＂在耀斑期间喷出的等离子体最终击中了日球层顶，导致那里的电子发生振荡并发射出无线电波。＂振荡频率与等离子体电子密度的平方根成正比，而观测到的无线电波频率暗示着星际介质的密度与预期相符。虽然它是如此的稀薄，在地球上可以被认为是一个完美的真空，但本地星际介质的密度比外日球层要大得多。
　　此外，知道太阳物质向外散发的近似速度和它撞击边界所需的时间，就可以知道日球层顶与太阳的距离在116~177个天文单位之间，其中1个天文单位是太阳与地球的平均距离。
　　然而，格内特的说法是有争议的。据格内特本人表示：＂坦率地说，人们很有礼貌地听了我的演讲，我认为我是一个相当受尊敬的科学家，但没有人相信。＂克里米吉斯没有参与这种衡量，他更直率地说道：＂他被嘲笑了。＂
　　首先，以前没有人见过这样的无线电波，许多研究人员怀疑格内特对这些信号的解释。另一方面，他的测量意味着日球层顶的距离远得令人沮丧。相比之下，海王星距离太阳只有30个天文单位，而冥王星平均距离太阳约40个天文单位。
　　格内特说：＂没有人愿意听到我们还有20多年才能到达日球层顶。＂这个预测甚至危及了宇宙飞船本身，因为如果下一个大目标真的如此遥远，他们可能会为了省钱而放弃。
　　成人礼
　　最后，宇宙飞船幸存了下来。2012年8月25日，旅行者1号以121.6个天文单位的速度穿过了日球层顶，大约是海王星距离的4倍，与20年前格内特的预测完全一致。但争议如此之大，以至于NASA直到13个月后才宣布这一成就。
　　不过，旅行者1号确实看到了一些迹象，表明它已经穿过了日球层顶。来自太阳的高能粒子消失了，这很有可能表明其余的太阳风也被留下了。此外，来自太阳系以外的宇宙射线在＂旅行者＂号通过后被日球层部分阻挡，增强了。然而，仅仅这些迹象并不能说服许多研究人员。
　　有两个问题：首先，旅行者1号的等离子体设备停止工作，因此无法记录飞船从日球层进入星际空间时粒子密度的跳跃。其次，日球层之外的磁场曾被认为指向不同的方向，但没有做到。克里米吉斯说：＂自然是没有读过理论家的论文，也不知道它应该改变磁场的方向。＂直到今天，我们仍然不清楚为什么日球层外的磁场与日球层内的磁场一致。
　　太阳帮助证实了旅行者的壮举。2012年早些时候曾爆发过太阳风暴，第二年，它们震动了旅行者1号正在加速通过的等离子体，导致那里的电子发生振荡，并释放出航天器探测到的无线电波。这些无线电波的频率表明旅行者号确实进入了一个密度大得多的区域。
　　旅行者1号因此成为有史以来第一个到达星际介质的宇宙飞船。与一些媒体报道相反，飞船并没有离开太阳系。在海王星和冥王星的轨道之外，大约有1万亿个冰体围绕太阳旋转。不时有一颗彗星冲向太阳，我们就看到天空中出现了一颗新彗星。
　　这些遥远的冰物体最远的距离可能是1~2光年，也就是63000到126000个天文单位。在美国大陆中部的某个人，如果向西走3英里，他离太平洋的距离就比旅行者离太阳系边缘的距离还近。
　　2018年11月5日，旅行者2号也穿过了日球层顶。这一次没有争议，飞船上的等离子体仪器正在工作，探测到质子、电子和其他带电粒子撞击该仪器时粒子密度的飞跃。它还记录了温度：在3万~5万开尔文之间，比本地星际介质要热得多，可能是因为等离子体在撞击日球层时被压缩了。和旅行者1号一样，探测器观测到太阳风消失，来自太阳系外的宇宙射线增加，但磁场再次未能改变方向，这表明6年前的结果并非偶然。
　　克里米吉斯说：＂但最让我惊讶的是，穿越距离是119.0天文单位。＂这几乎与太阳探测器的＂孪生兄弟＂所经过的距离完全相同，这令人惊讶，因为当时太阳周期处于不同的状态。在11年的周期里，随着太阳黑子的盈亏，太阳风时而增强时而减弱，在日球层顶施加的推力更大时而减弱，尽管时间延迟约为2.5年，所以日球层应该扩张和收缩。
　　由于2012年来自太阳风的压力比2018年小，旅行者1号通过时的日球层应该比旅行者2号小得多。相反，克里米吉斯说：＂几乎相等的距离意味着日球层顶一定比想象的更坚固。＂
　　他还说道：＂这可以归因于星际介质中出乎意料的强磁场。＂旅行者1号将其设定为5微高斯，大约是预测值的两倍，旅行者2号发现了一个更强的星际磁场，大约7微高斯。在克里米吉斯看来，强大星际场的压力就像一件紧箍咒，抑制了日球层的大部分膨胀和收缩。
　　克里米吉斯断言，磁场如此强大，它也改变了日球层的形状。他表示：＂60年来，我们对日球层的认识都是错误的。＂标准的观点是，它是彗星的形状，有一个鼻子和一个长长的尾巴。机头朝向太阳系在星际介质中移动的方向，而机尾则相反。但由于星际磁场非常强，磁场压力(与磁场强度成平方)会挤压日球层，使其变圆。克里米吉斯认为：绝对是这样。
　　他的团队早些时候利用卡西尼号飞船，然后绕土星运行，得出了同样的结论。卡西尼号探测到了高能中性原子，克里米吉斯认为这些原子来自日球层顶附近。这些变化与太阳黑子周期同步，并且在所有方向上几乎同时发生，这表明日球层顶在所有方向上距离相等。换句话说，日球层是圆的。
　　但这种说法是存在争议的。达勒姆新罕布什尔大学的纳珍·施瓦德龙 （Nathan Schwadron）说：＂所有提出的关于一个圆形日球层的证据实际上是对数据的错误解读。＂他认为，高能中性原子并不一定来自日球层顶附近，它们数量的变化仅仅反映了日球层等离子体的变化，因为太阳周期的盈亏。这意味着卡西尼号的数据无法说明日球层的形状。
　　施瓦德龙 说：＂当太阳处于活动状态时，它会压缩并因此加热外日球层中的等离子体，从而从各个方向产生更多的高能中性原子。相反，当太阳平静时，日球等离子体膨胀并因此冷却，导致原子数量减少。＂他还说：＂星际磁场要比旅行者测量的强得多，大约20微高斯，磁压力才能把日球层挤压成一个圆形。＂
　　最后的边疆
　　无论日球层的确切形状如何，旅行者1号和2号继续从日球层飞驰而去。到今年年底，旅行者1号将距离太阳155个天文单位。宇宙飞船的信号以光速传播，需要21个多小时才能到达地球。旅行者2号将超过129个天文单位，到2023年将超过沉默的先驱者10号，成为第二远的航天器。两艘旅行者号朝着不同的方向飞驰，彼此之间的距离甚至比任何一艘离地球的距离还要远。
　　他们继续传送有关星际空间的数据。它们都可以测量电子密度，因为它们可以探测到当太阳爆发时星际介质中的电子振荡时产生的无线电波。随着太阳黑子周期在2025年达到顶峰，这些喷发应该会变得更加频繁。
　　目前的测量结果表明，星际密度比日球层顶之外的值增加了很多，但没人知道接下来会发生什么。格内特说：＂如果你想让我做出最好的猜测，我会说它会达到一个峰值，然后回落到一点。＂这可能表明星际物质正在日球层顶附近堆积，就像扫雪机前面的雪一样。
　　＂旅行者2号＂有一台可工作的等离子体仪器，它将记录星际间的温度。这个温度可能会下降，因为天文学家测量到本地星际介质的温度只有7500开尔文，日球层顶上方的高温可能是等离子体被压缩和加热的结果。两艘飞船都将监测星际磁场。
　　如果磁场在日球层顶附近受到压缩和加强，那么磁场最终会在更远的地方减弱。旅行者甚至可以看到磁场改变方向，就像研究人员在日球层顶所预期的那样。
　　最终的目标是对未受干扰的星际介质进行采样，空间距离如此遥远，以至于日球层几乎无法影响到它。多德说：＂旅行者号正在未知的水域航行，它位于一个以前没有任何任务经过的地方，可能几十年内也不会有任何任务经过。＂天文学家对星际介质感兴趣的部分原因是它是恒星的孕育地，也是它们新生成的化学元素沉积的地方，这些化学元素是恒星和行星的后代所继承的。
　　此外，天文学家必须透过星际气体和尘埃，修正它们的影响，以研究恒星和星系。虽然研究人员使用地面望远镜和地球轨道望远镜从远处观察星际介质，但这两个航天器通过实际进入星际介质，产生了关于其密度、温度和磁场的独特数据。多德说：＂现场测量非常重要。＂
　　没人知道这两艘飞船还能存活多久。它们必须保持温暖，这样它们朝向地球的天线所需要的燃料就不会冻结。旅行者号的热量来自钚，但随着放射性元素的衰变，它提供的能量每年都越来越少。
　　令人惊讶的是，旅行者1号是温度更高的航天器，尽管它离太阳更远。克里米吉斯说道：＂这是一个故事。＂在NASA发射旅行者2号之后，工程师们注意到它比预期的要冷，所以在发射旅行者1号之前，他们添加了更多的隔热材料来保持它的温度。这些额外的热量很可能会延长航天器的寿命。
　　由于旅行者1号的等离子体设备已经失效，该设备没有消耗任何能量，留下更多的能量用于加热飞船。因此，正在探索更遥远、更有趣的空间区域的＂旅行者＂号可能会继续传回数据，即使它的伴侣陷入沉默。克里米吉斯说：＂如果我们能撑到2027年，那么旅行者号发射已经50年了。＂