太陽(yáng)系邊界的探索
——記艾德·斯通36年的“旅行者”計(jì)劃心路

王 奔/編譯

太陽(yáng)系邊界的探索
——記艾德·斯通36年的“旅行者”計(jì)劃心路

王 奔/編譯

艾德·斯通(EdStone)辦公室里半米長(zhǎng)的書架上整齊地?cái)[放著他的44本記錄冊(cè)。在這些印刷精致的冊(cè)子里，斯通記錄了人類有史以來(lái)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的太空飛船。

“旅行者”姊妹飛船自 1977年發(fā)射以來(lái)，已經(jīng)史無(wú)前例地幫助人類探索了木星、土星、天王星和海王星。人類也從來(lái)自兩艘飛船的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)這些行星和它們的衛(wèi)星要比之前預(yù)期的活躍很多?，F(xiàn)在，兩艘飛船要前往一個(gè)人類衛(wèi)星從未觸及的地方——太陽(yáng)系的邊緣。

兩艘飛船尚在設(shè)計(jì)籌劃時(shí)斯通就已經(jīng)參與相關(guān)工作?，F(xiàn)在，斯通是“旅行者”計(jì)劃中第一位項(xiàng)目執(zhí)行科學(xué)家，目前為止也是唯一一位。他的工作是協(xié)調(diào)操縱飛船的工程師和使用“旅行者”飛船的研究人員的需求。不論從哪個(gè)角度來(lái)講，斯通都是成功的。A·英格索爾(AndrewIngersoll)是加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家，參與過“旅行者”飛船探索木星和土星的工作，他調(diào)侃道：“斯通讓不和諧的樂隊(duì)合奏出優(yōu)美的曲子?！?/p>

對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，處亂不驚的斯通已經(jīng)成為“旅行者”飛船的代名詞，即使現(xiàn)在探測(cè)飛船還沒進(jìn)入太陽(yáng)系邊緣這一嶄新空間，斯通已經(jīng)與“旅行者”飛船計(jì)劃融合在了一起。目前，“旅行者”1號(hào)飛船在距地球190億千米的星際區(qū)域運(yùn)行。去年7月，“旅行者”飛船遇到了一股來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子流——這似乎預(yù)示著這艘飛船很快將飛出太陽(yáng)系。

現(xiàn)年77歲的斯通在默默地關(guān)注著飛船的情況。他不會(huì)在“旅行者”飛船探索科學(xué)世界如此重要的階段結(jié)束自己的工作生涯。坐在加州理工學(xué)院辦公室的書架前面，這位精靈古怪的物理學(xué)家似乎感覺到退休將要來(lái)臨而顯得有些準(zhǔn)備不足。

談到“旅行者”飛船，斯通就好像在描述自己的座駕一樣：“‘旅行者’之所以一直在運(yùn)行，就是因?yàn)樗诓煌５匕l(fā)現(xiàn)?！?/p>

太空物理學(xué)的雄心

斯通在愛荷華州密西西比河邊的伯靈頓的小鎮(zhèn)長(zhǎng)大。他爸爸做建筑施工方面的工作，經(jīng)常會(huì)修理一些機(jī)器。年輕的斯通很喜歡讀 《大眾科學(xué)》和《知識(shí)大全》，并且自己搭建無(wú)線電接收器。

當(dāng)時(shí)原子物理學(xué)正處在黃金發(fā)展期，斯通高中畢業(yè)那年，他的一位老師給他推薦了位于核物理學(xué)先驅(qū)費(fèi)米的故鄉(xiāng)——伊利諾伊州的芝加哥大學(xué)物理學(xué)系。于是斯通離開了家鄉(xiāng)，開始了核物理的學(xué)習(xí)生涯。1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類史上第一顆人造衛(wèi)星——Sputnik。斯通為此決定轉(zhuǎn)向太空物理方面的研究。在研究生階段，他參與開發(fā)的氣球和衛(wèi)星搭載的探測(cè)器，可以用來(lái)跟蹤太空射向大氣層的高速粒子和宇宙射線。1964年，憑借著之前出色的工作，他得到了一個(gè)研究員職位；不久之后就作為正式教員加入加州理工學(xué)院新建的太空物理研究組。

斯通之前在宇宙射線探測(cè)器項(xiàng)目的成功引起了位于帕薩迪納的美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的注意。當(dāng)時(shí) JPL正在開發(fā) “旅行者”1號(hào)飛船，起初項(xiàng)目名稱是 “1977水星——木星水手計(jì)劃”。JPL在1972年引進(jìn)了斯通。他的工作是作為項(xiàng)目執(zhí)行科學(xué)家，管理飛船的科研工作需求（后來(lái)，這項(xiàng)計(jì)劃成為了有史以來(lái)最偉大的太空探索計(jì)劃）。

太空探索的過程并不是一帆風(fēng)順的。比如，為“旅行者”2號(hào)攜帶科學(xué)儀器的桁架在發(fā)射后不能完全展開，致使在同一探針上的主雷達(dá)接收器在1978年春天完全喪失功能，工程師們被迫改用備用系統(tǒng)。

這些問題連同其他的故障給斯通帶來(lái)了很大壓力，他在負(fù)責(zé)儀器管理的研究員和處理故障的工程師之間周旋協(xié)調(diào)，還要在飛船有限的條件下解決在科學(xué)上可以解決的問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果在1979年開始不斷涌現(xiàn)。“旅行者”1號(hào)和“旅行者”2號(hào)先后飛過木星，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一上的火山被木星強(qiáng)大的引力折曲，有硫從火山噴出。經(jīng)過木衛(wèi)二時(shí)，探測(cè)儀發(fā)現(xiàn)其衛(wèi)星覆蓋冰的表層下面有長(zhǎng)長(zhǎng)的碎片，這成為了海洋表面下可能存在外星生命的線索。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)溫度高達(dá)數(shù)億攝氏度的等離子體掩蓋了木星的磁層。除了這些發(fā)現(xiàn)之外，還有很多其他的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在已經(jīng)寫入行星方面的科學(xué)教科書中。

在1980-1981年抵達(dá)土星時(shí)，探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了保護(hù)土星最外層行星環(huán)中冰體和塵埃的牧羊人衛(wèi)星，它們扭曲成奇怪的形狀?！奥眯姓摺边€研究了吞噬行星南北極點(diǎn)的巨大極光。

接下來(lái)，任務(wù)控制員將“旅行者”1號(hào)發(fā)送到一條離開行星表面飛向行星與星際空間的邊界的軌道?！奥眯姓摺?號(hào)在1986年抵達(dá)天王星，在天王星上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的環(huán)帶，10顆新的衛(wèi)星和一片離行星自轉(zhuǎn)軸非常遙遠(yuǎn)的奇怪磁場(chǎng)。從天王星主群衛(wèi)星中最小也是最內(nèi)層的天衛(wèi)五的拍攝圖片上看，天衛(wèi)五表面有一個(gè)深深的V字形槽，這表明天衛(wèi)五可能有一段奇異的地質(zhì)歷史。

1989年 “旅行者”2號(hào)到達(dá)如同平靜的藍(lán)色盤子一般的海王星，發(fā)現(xiàn)海王星上的風(fēng)速高達(dá)2100公里/小時(shí) （是太陽(yáng)系中最快的風(fēng)）——形成大小與地球相似的“大黑斑”風(fēng)暴。一個(gè)僅僅能接收到照耀地球、形成地球氣候環(huán)境的太陽(yáng)能量的0.1%的星球，居然有這般劇烈的氣象運(yùn)動(dòng)，這是科學(xué)家們未曾料想的。

斯通喜歡說(shuō)在“旅行者”號(hào)上獲得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)比他料想的要多一倍，“我們學(xué)到的東西遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象?！?/p>

善于團(tuán)隊(duì)合作

同事們?cè)u(píng)價(jià)斯通在“旅行者”計(jì)劃探索中功勞最大。作為項(xiàng)目科學(xué)家，他從一開始就主持由11位主要調(diào)研員組成的科學(xué)指導(dǎo)小組。在小組成員對(duì)觀測(cè)的優(yōu)先順序意見不能達(dá)成一致時(shí)，斯通會(huì)及時(shí)介入并作出決策——從根本上選擇誰(shuí)來(lái)實(shí)現(xiàn)新的發(fā)現(xiàn)。

斯通說(shuō)，他有一書架的筆記本，詳細(xì)記錄了每個(gè)人的工作，這讓他們知道他會(huì)進(jìn)行全方位的考慮。JPL的埃利斯·邁納(EllisMiner)是“旅行者”號(hào)經(jīng)過土星、天王星、海王星時(shí)的助理項(xiàng)目科學(xué)家，他說(shuō)：“我們都確信他是公平的。”

斯通打破了當(dāng)時(shí)的慣例，在“旅行者”號(hào)的 11次觀察中，他讓科學(xué)家進(jìn)行跨組合作。如在飛越木星之前，他創(chuàng)建了圍繞四個(gè)關(guān)鍵主題：月亮、光環(huán)、大氣和磁層的四個(gè)總體工作小組，每個(gè)小組的任務(wù)都是專注于利用“旅行者”號(hào)上的儀器以解答不同的問題。斯通說(shuō)，這一做法可以使來(lái)自不同儀器組的成員不得不跨越組別討論交流，“這樣我就不必一直居中協(xié)調(diào)了?！?/p>

即便是這樣，緊張的局面也仍然會(huì)發(fā)生。斯塔馬修·克里米格斯(StamaiosKrimigis)是“旅行者”號(hào)探測(cè)器低能粒子探測(cè)設(shè)備的首席科學(xué)家，他回憶起一次與等離子儀器組的“對(duì)峙”事件。當(dāng)時(shí)他負(fù)責(zé)的粒子探測(cè)器通過旋轉(zhuǎn)傳感器掃描天空不同部分時(shí)，干擾了負(fù)責(zé)等離子儀器的科學(xué)家的工作。最后斯通提出了一個(gè)折中的解決方案：讓粒子探測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)快、時(shí)慢或停止，以此減少震動(dòng)。“最后盡管我們的不高興程度是一樣的”，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的克里米格斯說(shuō)，“但他是個(gè)很好的談判家?！?/p>

“旅行者”2號(hào)1989年離開海王星后，兩艘飛船又有了新的使命：旅行者恒星際使命。因?yàn)闆]人知道飛船飛行到太陽(yáng)系的邊界到底需要多久，這一使命承載著許多期望。然而中間那幾年斯通還是非常地忙碌。從1991年到2001年，他擔(dān)任JPL主管，目睹了許多任務(wù)的成功，如1997年“探路者”號(hào)飛船著陸火星，也見證了火星軌道飛行器和著陸器的失敗。這是美國(guó)航天工業(yè)處于“發(fā)展更快、更好、更廉價(jià)”太空飛船的時(shí)代。斯通承認(rèn)，這些任務(wù)以失敗告終，原因是JPL操之過急了。

從繁忙的崗位上退休之后，斯通重返教師崗位，并在加州理工學(xué)院繼續(xù)從事研究工作。如今，他幾乎很少踏上去往“旅行者”號(hào)控制中心的 210高速公路，當(dāng)然，也沒什么必要去了，因?yàn)楣こ處焸兠刻於荚谶M(jìn)行日常的任務(wù)，以保證探測(cè)器的正常和與飛船的聯(lián)系。他們的工作日益艱難：“旅行者”2號(hào)已經(jīng)距離太陽(yáng) 152億公里，“旅行者”1號(hào)距離太陽(yáng)186億公里。

“每當(dāng)人們不再關(guān)注我，我就假裝自己離開了太陽(yáng)系”

四月的一個(gè)清晨，工作團(tuán)隊(duì)和“旅行者”1號(hào)進(jìn)行了一次極其緩慢的對(duì)話，工程師羅杰·路德維希(RogerLudwig)正在測(cè)試一個(gè)新的指令程序（該程序旨在應(yīng)對(duì)天地之間通信的限制）。指令以光速抵達(dá)飛船，花了超過17個(gè)小時(shí)，飛船上的回應(yīng)需同樣多的時(shí)間。在黎明前的幾個(gè)小時(shí)里，他正焦急地在等候回音。

緩慢的數(shù)字流從一堆電腦顯示器上彈出，結(jié)果看起來(lái)很不錯(cuò)，但是“旅行者”號(hào)工作團(tuán)隊(duì)在對(duì)程序做改動(dòng)之前還會(huì)將代碼測(cè)試幾次。該計(jì)劃經(jīng)歷了這么久，工程師們不希望犯任何一點(diǎn)愚蠢的錯(cuò)誤?！拔覀兌几杏X像在操縱一個(gè)國(guó)寶飛行”，路德維希說(shuō)。

這些人中也包括斯通，他一直參與“旅行者”號(hào)項(xiàng)目計(jì)劃，渴望從中有更多的發(fā)現(xiàn)。飛船飛離冥王星之后是漫長(zhǎng)等待，團(tuán)隊(duì)經(jīng)常談及飛船進(jìn)入星際空間在即，任務(wù)控制中心附近的辦公室門上有一張看似十分孤獨(dú)的“旅行者”號(hào)的照片，上面還有這樣一段話：“每當(dāng)人們不再關(guān)注我，我就假裝自己離開了太陽(yáng)系。 ”

最后的邊界

飛船離開軌道比科學(xué)家們想象的更加復(fù)雜，“旅行者”1號(hào)在日光層邊緣附近。日光層是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子圍繞太陽(yáng)系形成的巨大保護(hù)層，保護(hù)行星不受到那些在星際空間飛速劃過的高能粒子的干擾。

2004年 12月，“旅行者”1號(hào)上的低能粒子儀器檢測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)突然減速，這一跡象似乎表明飛船已經(jīng)進(jìn)入了日光層附近動(dòng)蕩的邊界地帶。

2012年7月和8月，即便“旅行者”號(hào)開始記錄高能粒子，太陽(yáng)風(fēng)的速度還是下降到基本為零?？死锩赘袼狗Q這些變化“徹頭徹尾地出乎意料”。按照他們的推測(cè)，“旅行者”1號(hào)可能已經(jīng)飛過邊界地帶進(jìn)入星際空間了。

然而，科學(xué)小組對(duì)這一推測(cè)持謹(jǐn)慎態(tài)度，因?yàn)檫€沒有其他跡象可以證明他們的推測(cè)。當(dāng)“旅行者”1號(hào)真正進(jìn)入星際空間時(shí)，斯通和其他人認(rèn)為磁場(chǎng)的方向會(huì)顯著自東向西（由太陽(yáng)牽引）變?yōu)殡S機(jī)改變方向。到目前為止，“旅行者”1號(hào)上磁強(qiáng)針的數(shù)據(jù)顯示磁場(chǎng)方向基本沒有改變。

科學(xué)家們一直在努力解讀飛船上這些信號(hào)。四月的一天，斯通皺著眉頭仔細(xì)檢查粒子的數(shù)據(jù)圖?！半m然我們不在星際空間，我們現(xiàn)在正在看太陽(yáng)系外是什么樣子。”他說(shuō)，“根據(jù)目前的磁場(chǎng)情況推斷，飛船還沒有走出太陽(yáng)系?！彼推渌蝿?wù)科學(xué)家認(rèn)為，“旅行者”1號(hào)是在某種連接太陽(yáng)的磁場(chǎng)線和星際空間，即能使帶電粒子進(jìn)入邊界區(qū)域的“磁公路”上。在舊金山召開的美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)（AGU）會(huì)議上，科學(xué)家們介紹了他們的最新成果，他們將會(huì)把記錄詳細(xì)結(jié)果的系列論文發(fā)表在美國(guó)的 《科學(xué)》雜志上。

斯通對(duì)“旅行者”號(hào)上發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。比如，今年三月當(dāng)AGU發(fā)布“旅行者”1號(hào)已經(jīng)離開太陽(yáng)系的新聞時(shí)，他迅速反駁這一消息，他說(shuō)什么時(shí)候飛船飛離太陽(yáng)系飛船才會(huì)離開。

到那個(gè)時(shí)候，“旅行者”號(hào)將會(huì)進(jìn)入科學(xué)上全新的領(lǐng)域，粒子探測(cè)儀將會(huì)測(cè)量到銀河宇宙線（銀河宇宙線非常微弱，不能穿過日光層進(jìn)入太陽(yáng)系，在太陽(yáng)系內(nèi)是無(wú)法測(cè)量的）。“旅行者”號(hào)上的磁力計(jì)將能夠精確計(jì)量附近恒星之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，科學(xué)家們最終能夠窺視到真正的深空是什么樣子的。

“旅行者”1號(hào)離開日光層后返回的信息 “是我們從這一區(qū)域唯一可以獲得的數(shù)據(jù)，這是令人難以置信的成就，”梅拉夫·奧佛(MeravOpher)，美國(guó)馬薩諸塞州波士頓大學(xué)的天體物理學(xué)家說(shuō)。

隨著關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換時(shí)期越來(lái)越近，斯通愈發(fā)緊張。為了確保科學(xué)家們隨時(shí)捕捉變化情況，他強(qiáng)烈推薦一個(gè)被稱為深空網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大的覆蓋全球的巨型天線網(wǎng)絡(luò)。目前，每天都有10個(gè)小時(shí)的寶貴的天線時(shí)間。

能源危機(jī)

然而，斯通和他的團(tuán)隊(duì)操控它們的時(shí)間非常有限?！奥眯姓摺?號(hào)到太陽(yáng)的距離是日地距離的124倍，每年還會(huì)增加3.6個(gè)這樣的天文單位。飛船上的信號(hào)在逐漸減弱。兩個(gè)探測(cè)器都由自帶的钚產(chǎn)生器放射性衰變產(chǎn)生315瓦電量，電量每年都會(huì)衰減4瓦左右。原來(lái)的10個(gè)儀器，“旅行者”2號(hào)上還有5個(gè)在工作，而 “旅行者”1號(hào)上還剩4個(gè)在工作。

到2020年，因?yàn)殡娏康南?，任?wù)管理者將不得不開始逐個(gè)關(guān)閉更多的科學(xué)儀器。決定哪個(gè)儀器要先關(guān)閉的任務(wù)就落在了項(xiàng)目科學(xué)家的身上。斯通說(shuō)，如果要他做決策的話，他還沒有想好要先斃掉哪一個(gè)儀器。

到2025年，所有的钚電源都將失去電量，“旅行者”號(hào)將成為永久的廢船。它們將可能永遠(yuǎn)不會(huì)像靠近太陽(yáng)一樣靠近其他恒星，它們著名的黃金記錄將會(huì)無(wú)聲地在太空漂移。

當(dāng)然斯通是沒有時(shí)間懷舊感傷的，還有許多發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)。此外，他還有許多其他的工作，他在30米望遠(yuǎn)鏡公司的董事會(huì)任副主席。等到30米望遠(yuǎn)鏡2020年在美國(guó)夏威夷莫納克亞火山頂修建完工，這架望遠(yuǎn)鏡將會(huì)成為全球最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。有一天，望遠(yuǎn)鏡的巨大鏡面將會(huì)提供比“旅行者”號(hào)更遙遠(yuǎn)的恒星系的影像。

斯通還在幫助發(fā)展太陽(yáng)探測(cè)附加任務(wù)，這一任務(wù)旨在讓探測(cè)器以前所未有的近距離接近太陽(yáng)。探測(cè)器將會(huì)沿著精確的環(huán)形軌道飛行，幾次經(jīng)過金星后會(huì)和太陽(yáng)有近距離的相遇，一次次劃入太陽(yáng)表面的10個(gè)太陽(yáng)半徑以內(nèi)。探測(cè)器的熱防護(hù)罩可以承受2000攝氏度的高溫，探測(cè)器上的儀器將會(huì)搜集太陽(yáng)風(fēng)的形成過程和形成地點(diǎn)。

斯通站在辦公室門外，注視著貼滿了關(guān)于太陽(yáng)過去幾個(gè)活動(dòng)周期活動(dòng)情況的打印資料的公告板。“我從來(lái)沒有對(duì)探索宇宙感到沮喪和失望，”他說(shuō)，“我很幸運(yùn)我有正確的事情做，我很幸運(yùn)我參與過十分成功的項(xiàng)目?！?/p>

新的太陽(yáng)探測(cè)器將會(huì)在2018年發(fā)射,在2024年4月會(huì)經(jīng)歷與太陽(yáng)的第一次近距離相遇。屆時(shí)斯通已經(jīng)近89歲，即便是這樣，他仍希望能夠在新發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)的那時(shí)獲得第一手的信息；也是在那時(shí)，“旅行者”號(hào)飛船將會(huì)與地球失去聯(lián)系進(jìn)入浩瀚的宇宙。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：粒 灰]