旅行者1号推进器沉睡37年被唤醒 人类首次在太阳系边缘星际空间启

姓名:李昕洲  学号:16030120026

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【嵌牛导读】:最近，美国国家航空航天局（NASA）又干了一件大事。今年40岁的“旅行者1号”航天器，在太空深处的成功点火测试了一组航迹修正推进器，而这组推进器已经“沉睡”了37年后。这是人类首次在太阳系边缘的星际空间启动发动机。本文将为你介绍其相关信息。

【嵌牛鼻子】:“旅行者1号”航天器、太阳系、引力范围、边界。

【嵌牛提问】:“旅行者1号”是怎么被唤醒的？太阳系的边界是什么？

【嵌牛正文】:

“旅行者1号”（Voyager 1）是NASA飞得最远、速度最快的航天器，2012年，它离开太阳系（太阳系边缘的标准附后文）进入星际空间，是目前飞进恒星际空间唯一的地球人造物体。

这颗1977年9月5日从地球出发飞行了40年的航天器，基本靠调姿推进器来定向。这些推进器以微小的脉冲方式，像喘口气那样，几毫秒就能启动，然后让飞船方向稍微旋转，使其天线始终指向地球，与地球指挥中心保持通信。

但自2014年以来，工程师们注意到，调姿推进器开始老化，随着时间的推移，需要更多次“喘息”才能释放跟以前相同的能量。然而遗憾的是，在距离地球210亿公里的地方（约合141.3个天文单位），并没有负责保养的“航天器4S店”。

项目团队召集了一个推进器专家组来研究这个问题。他们分析预测了航天器在不同场景下的响应情况，最后同意用一种不同寻常的方法来拯救“旅行者1号”——唤醒沉睡37年之久的一组4台航迹修正推进器（TCM）。

TCM被放置在航天器背面，尺寸和功能与调姿推进器完全相同。在任务初期，“旅行者1号”飞越太阳系木星、土星等重要卫星时，工程师们通过TCM使航天器按设定轨迹飞行。但自1980年11月8日以来，它们进入了休眠状态。

NASA喷气推进实验室首席工程师克瑞斯·琼斯说：“团队挖掘了数十年的数据，检查了用过时的汇编语言编写的软件，以确保安全地测试这种将用于定向飞船的推进器。”

11月28日，位于加利福尼亚州的工程师们首次点燃了沉睡37年的TCM，测试了其使用10毫秒脉冲定位飞船的能力。因为距离遥远，当测试结果通过太空传回地球时，他们已经急切地等待了19小时35分钟——29日，团队确认TCM工作状态与调姿推进器同样完美！工程师陶德·巴伯说：“重启这些推进器，就像手握神奇的指挥棒，我们非常兴奋。对这一选择的质疑现在已烟消云散，我们松了口气。”

“旅行者”项目经理苏兹·多德表示：“这组推进器在37年后仍能正常使用，可将‘旅行者1号’的使用寿命延长2年到3年。”NASA计划在明年1月切换使用这组航迹修正推进器。

旅行者1号推进器沉睡37年被唤醒 人类首次在太阳系边缘星际空间启动发动机

这张照片拍摄于1975年10月29日，工程师们正在参与制作旅行者号的高增益天线。

据介绍，团队下一步计划对“旅行者2号”进行类似的测试。“旅行者2号”是“旅行者1号”的姐妹探测器，也在1977年发射，虽然它的调姿推进器性能还不错，工作正常，但未来几年，它也将进入星际空间，并面临同样的定向能力下降带来的挑战。“旅行者2号”先发射，但由于选择的飞行轨迹不同，将永远落在“旅行者1号”身后。

这组强大的MR-103型推进器由全球领先的推进系统制造商洛克达因（Aerojet Rocketdyne）公司研发，“卡西尼”号和“黎明”号探测器用的也是它。

“旅行者1号”和“旅行者2号”携带了两张相同的“金唱片”，这两张12英寸的镀金铜碟里面有来自60种语言的问候语，来自不同文化与时代的音乐样本，还有地球上各种各样自然与人造的声音。碟片里还有一些电子信息可以被先进技术文明转化为图解与相片。碟片的铝封套是用来保护唱片免受微陨石的轰击的，同时还有个提示发现者播放唱片的双重目的。因为担心封套外表面的图解会被时间侵蚀，因此封套内外都绘制了解释图表。这两张“金唱片”在不出意外的情况下可以保存10亿年。

“旅行者”携带的“金唱片”

旅行者1号推进器沉睡37年被唤醒 人类首次在太阳系边缘星际空间启动发动机

延伸阅读：

茫茫太阳系，何处是边界

旅行者1号推进器沉睡37年被唤醒 人类首次在太阳系边缘星际空间启动发动机

太阳日球层示意图

9月5日，“旅行者1号”迎来了40岁生日。1977年在美国佛罗里达发射升空后，它对木星和土星展开了探测，而后向宇宙深处进发。

地球与太阳相距1.5亿公里，天文学家将它称作1个天文单位。在40年的时间里，“旅行者1号”已经飞过约140个天文单位。该如何看待这个距离？有报道称，“旅行者1号”早已飞出太阳系。但意见并不统一。有人认为这个距离不到太阳系半径的1/400，飞出太阳系还需30000年。

太阳系的边界到底在哪？太阳系到底有多大？

以行星轨道为界， 海王星运行在最边缘

美国国家航空航天局（NASA）曾经表示，太阳系的边界有三种定义方式，其中之一是以行星轨道为界。按照这种定义，人类眼中的太阳系是逐渐增大的。

十七世纪，哥白尼提出的日心说逐渐被观测所证实。人们开始意识到，太阳周围绕转着许多颗行星，地球不过是其中之一。在很长一段时间内，土星是人们能看到的最远行星，也代表着太阳系最远的疆域。

1781年，热忱的天文观测者赫歇尔通过观测确认，天王星是太阳系的第七颗行星，虽然之前的观测者已经多次观测并记录过这个天体。这一发现，将太阳系的范围扩大了一倍。

随后，海王星、冥王星被逐一发现，更新着人们对太阳系的认识。如果以行星轨道来界定太阳系边界，人类目前所知的太阳系最大不过如此。

在冥王星被踢出行星大家族之后，海王星是目前已知距离太阳最远的行星，它运行在距离太阳30个天文单位的轨道上。早在1990年，“旅行者1号”便飞过这颗行星的轨道，并发回了地球照片。抵达这一距离的探测器也不仅仅是“旅行者1号”和 “旅行者2号”。比如“新视野”号早已探访过冥王星，目前正飞往柯伊伯带的小行星。

但这种定义方法的缺点显而易见。“在海王星的轨道之外，还有很多天体，比如彗星、小行星。如果不是太阳系成员，它们又是什么？”南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞说。

而且，用这种方法来定义太阳系边界也有很大的不确定性。2006年，冥王星被降级为矮行星，太阳系的范围瞬间缩减。另外一方面，充满好奇心的科学家并不满足于太阳系只有八颗行星。他们寄望于长期的观测和先进的技术能发现太阳系第九大行星。一旦成功，太阳系的边界也将再次改变。

以太阳风为界， 日球层顶包裹着太阳系

2013年秋季，世界各大媒体争相宣布一个消息：“旅行者1号”飞出了太阳系。这时人们眼中的太阳系是日球层顶以内的空间。人们以太阳风的范围为标准，定义太阳系边界。

恒星之间的空间并非空无一物，而是充满了低温的星际介质粒子。太阳会不断向外吹出带电粒子，称为太阳风。所谓日球层，是太阳风发生作用的最大范围。当高速的太阳风粒子与星际介质粒子相遇时，会将其向外推开，自身也逐渐减速，直至无力与星际介质粒子抗衡。形象地说，日球层就好像太阳风向外吹出的一个气泡，日球层之内充满了太阳风粒子，在它之外则是由星际介质粒子主宰的星际空间。而日球层的最外层边界被称为日球层顶。

“由于太阳以220公里/秒的速度在银河系中运动，日球层并非对称的球形，”陈鹏飞说，在太阳运动方向的日球层最薄，约为100天文单位，在太阳运动的反方向这一厚度能达到500天文单位以上。“‘旅行者1号’正是沿着太阳运动的方向飞行，穿越了日球层顶。”

2012年8月和2013年4月，“旅行者1号”记录下2次太阳风粒子与星际介质粒子的剧烈相遇。科学家由此推测出太阳风粒子浓度相较于2004年已下降1000倍，星际介质粒子密度则上升了40多倍。在经过反复模型推演后，NASA于2013年9月12日宣布，“旅行者1号”已经穿越了日球层顶。

虽然NASA很谨慎地指出，关于太阳系边界有多种定义方式，因此“旅行者1号”的行为可以严谨地描述为进入星际空间，而不是飞出太阳系。但对此，仍有不买账的科学家。他们时不时地发表论文表示异议。因为飞出太阳日球层、进入星际空间有三个条件：来自太阳的带电粒子数量急剧下降、星际介质粒子的数量急剧增多，以及磁场方向的偏转。很遗憾，“旅行者1号”始终没有探测到磁场方向的偏转。

“没有探测到磁场方向的偏转并不能否定‘旅行者1号’飞出日球层。太阳相对星际介质的运动速度比预想的小，也许不足以在日球层顶产生激波。这导致磁场方向在日球层顶附近缓慢变化，而不是以前猜测的剧烈变化。”陈鹏飞说。因此，如果将日球层顶作为太阳系的边界，根据“旅行者1号”的测量，太阳系的边界在距离太阳100天文单位之遥。

以引力范围为界， 奥尔特云是最遥远的疆域

更多的天文学家愿意根据太阳的万有引力来定义太阳系边界。也即如果一个天体主要受到太阳引力的作用，围绕太阳运动，那么它就是太阳系天体。按照这个标准，太阳系八大行星、日球层以及遥远的小行星与彗星都在太阳系范围内。

但太阳引力发生作用的最后边界在哪里？“在太空中某一地方，太阳引力和临近恒星的引力会达到平衡，这里便是太阳系的边界。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇说。

1950年，荷兰天文学家奥尔特提出，在太阳系遥远的疆域有一片冰冷的“云团”，孕育着1000亿颗长周期彗星。它被称作奥尔特云，一直延续到距离太阳50000—150000天文单位的区域。这里是太阳引力束缚天体作圆周运动的最后区域，也即太阳系边界。“旅行者1号”需要30000年飞出太阳系，正是基于“旅行者1号”每年约3.5天文单位的飞行速度以及奥尔特云延伸至100000天文单位的假设。

奥尔特云过于遥远，没有探测器到过这里，更没有人见过它。但这并不意味着，它完全是想象。

天文学家把从柯伊伯带向外到10000天文单位左右的空间称为内奥尔特云。“过去天文学家认为内奥尔特云是空的。但随着观测手段的提升，发现并非如此。”周礼勇说，2003年科学家发现小行星赛德娜，它与太阳最近的距离是76天文单位，但由于轨道很扁，远日点接近1000天文单位，位于内奥尔特云区域。“像这样的天体至少已经看到10多个，而实际上会更多。”

如果将奥尔特云视作太阳系的边界，我们永远无法看到“旅行者1号”飞出太阳系的那一天。因为携带的同位素电池仅有40多年的寿命，“旅行者1号”将从2020年开始逐渐关闭所搭载的仪器。2025年，它将关闭所有的仪器，切断与地球的联系。

但140个天文单位的飞行距离，已经让它跻身人类飞得最远的探测器。而“旅行者1号”携带的“地球之音”光盘刻有人类文明的种种信息，特殊处理让它足以抵御10亿年时光的侵蚀。

旅行者1号推进器沉睡37年被唤醒 人类首次在太阳系边缘星际空间启动发动机

“旅行者1号”是目前人类飞得最远、速度最快的航天器，也是目前飞进恒星际空间唯一的地球人造物体。