發(fā)現(xiàn)“先驅(qū)者”異常的始末

鄧雪梅/編譯

“先驅(qū)者”10號

●30年前，被送往探測外太陽系的第一個(gè)探測器飛行速度開始出乎意料地減慢?，F(xiàn)在我們終于知道到底發(fā)生了什么。從發(fā)現(xiàn)“先驅(qū)者”異常原因的漫長過程中，數(shù)據(jù)的重要性顯現(xiàn)無疑，尤其是我們現(xiàn)今所處的大數(shù)據(jù)時(shí)代。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或許是廉價(jià)的，但當(dāng)涉及數(shù)據(jù)保存或管理時(shí)，我們?nèi)匀狈h(yuǎn)見或是短視的。在識別這種異常的努力中某種程度看似是一部偵探故事，但這是一部保存看似乏味數(shù)據(jù)而足以為戒的故事。

40多年前，0.25噸的一快電路和遙感器掙脫了地球引力的束縛，迅速掠過月球和火星，沖向木星——“先驅(qū)者”10號和“先驅(qū)者”11號，當(dāng)時(shí)已經(jīng)在太空中飛行了一年。它們給人類呈現(xiàn)了超越太陽系小行星帶的首次驚鴻一瞥的同時(shí)，也留下了一個(gè)謎團(tuán)——一個(gè)困惑和啟發(fā)天體物理學(xué)家數(shù)十年的謎團(tuán)。

像許多謎題一樣，這個(gè)謎題僅僅開始于一個(gè)小暗示：似乎有些不對勁。就在“先驅(qū)者”10號、11號飛越木星和土星軌道后不久，地面控制人員開始注意到：兩艘飛船的飛行速度似乎比預(yù)計(jì)的要慢，就好像某種力在非常巧妙地牽引著它們向后朝向太陽。

減速的量級似乎可以忽略不計(jì)，僅僅是我們在地球表面所經(jīng)歷引力加速度的一億分之一。起初，地面控制人員認(rèn)為是燃料泄漏或是探測器行為瞬態(tài)偏差造成的。如果它沒有成為一個(gè)令人不安的細(xì)節(jié)的話，就沒有人會(huì)把這個(gè)異常放在心上。許多年以來，隨著這兩個(gè)探測器越來越深入太空，這一差異一直存在，并且沒有人能夠搞明白它來自于哪里。

異常：多種解釋難以釋懷

在1998年宣布了這一現(xiàn)象時(shí)，正是這一異常被首次發(fā)現(xiàn)的15年之后。不久便出現(xiàn)了許多潛在解釋，諸如“先驅(qū)者”異常的減速量級同宇宙加速膨脹的量級相當(dāng)，或這一異常展現(xiàn)了太陽系中同樣的宇宙膨脹。然而，這僅僅是一種可能性。一些人懷疑，兩個(gè)探測器是被暗物質(zhì)云牽引或在大尺度上所暴露的引力定律的破壞；一些人認(rèn)為，兩個(gè)探測器或許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了額外維或奇特反物質(zhì)存在的第一手證據(jù)。

總之，成百上千篇的論文都試圖用新物理學(xué)來解釋“先驅(qū)者”異常，但沒有一個(gè)解釋能夠令人完全滿意?，F(xiàn)在，通過對探測器的記錄、機(jī)載傳感器和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究以及軌道建模后，我們相信我們最終知曉了答案。

當(dāng)20世紀(jì)60年代中葉設(shè)計(jì)“先驅(qū)者”10號、11號時(shí)，之前沒有任何探測器超出火星軌道的范圍，也沒人知道探測器穿越火星和木星之間的小行星帶有多么的危險(xiǎn)，更沒人知道抵擋環(huán)繞木星的強(qiáng)烈輻射區(qū)域有多么的困難。但是，設(shè)計(jì)者們依然認(rèn)為他們需要讓這些任務(wù)實(shí)施。

遠(yuǎn)離木星，日光強(qiáng)度大約是地球上的4%，太暗以至于不能為太陽能電池板提供動(dòng)力，每艘探測器為此攜帶了四個(gè)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）——RTG通過使用雙金屬熱電偶把钚238的放射性衰變徑直變成電流而轉(zhuǎn)換成熱量，其燃料的88年半衰期意味著探測器有長達(dá)幾十年的額外能源。

“先驅(qū)者”10號和11號上最大的單一組件是高增益天線 （一個(gè)2.74米寬的反射器），主要用于地球接收：能接收到超越火星軌道以外的信號。探測器絕大部分的控制和科學(xué)儀器都位于這個(gè)碟形天線的后面

為了同地球進(jìn)行通訊，每個(gè)探測器都配備了2.74米寬的碟形天線，碟形天線繞著其軸轉(zhuǎn)動(dòng)以保證探測的穩(wěn)定性。如果天線從同地球校準(zhǔn)的位置上掉了出來，那么入射信號會(huì)碰撞到天線的外軸，其時(shí)，特殊電路會(huì)“注意”到出現(xiàn)的信號調(diào)制，進(jìn)而電路會(huì)給推進(jìn)器點(diǎn)火以修正探測器的方向。

當(dāng)1972年3月2日 “先驅(qū)者”10號發(fā)射后，它穿過小行星帶并于次年12月飛過了木星，其軸外單像素光電探測器構(gòu)建出木星的圖像。而1973年4月6日發(fā)射的“先驅(qū)者”11號，在“先驅(qū)者”10號飛離木星的一年后再次飛掠木星，并隨后利用這顆氣態(tài)巨行星的引力來改變它的飛行軌道——完成了第一次引力助推。5年以后“先驅(qū)者”11號飛入了土星環(huán)中。

隨著地球遁入遠(yuǎn)處，地球繞太陽的視運(yùn)動(dòng)也削弱了。結(jié)果，推進(jìn)器逐年減少點(diǎn)火次數(shù)以便調(diào)整“先驅(qū)者”10號和11號指向地球天線的方向，這猶如把探測器變成了主要的彈道對象。也正因?yàn)槿绱?，它們成為了僅受引力影響的理想探測器。

建模：旨在縮小排查范圍

此時(shí)，由美國宇航局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的天文學(xué)家約翰·安德森（John D.Anderson）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開始使用這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行外太陽系引力環(huán)境的一些高精度測量，包括特里謝夫（Turyshev）在內(nèi)，他們仔細(xì)地尋找軌道中的微小變化。這些變化或許由于未被發(fā)現(xiàn)的行星引起，抑或是宇宙大爆炸期間所產(chǎn)生的長引力波引起。對于這兩種可能性并沒有任何信號現(xiàn)象反映。相反，這些導(dǎo)航揭示了某種意想不到的東西存在，并且很難予以解釋。

作為引力探測，安德森團(tuán)隊(duì)主要依靠NASA的深空探測網(wǎng)接收信號，該探測網(wǎng)位于世界的三個(gè)不同區(qū)域，其間遍布了許多大型無線電天線，由這些天線陣列與“先驅(qū)者”探測器互相發(fā)送信號。由于兩個(gè)探測器沒有精密振蕩器，它們利用接收到的頻率調(diào)整后返回信號。通過測量“先驅(qū)者”信號頻率發(fā)生的變化，地面人員能夠鑒別出探測器相對于地球的視向速度（這是一個(gè)時(shí)間和分析的問題）。在探測器飛行足夠長的弧段重復(fù)測量的視向速度，能夠用來控制它們的飛行路徑。

為了找出任何未知的效應(yīng)，安德森團(tuán)隊(duì)開始考慮能夠改變探測器運(yùn)動(dòng)或其所發(fā)信號頻率的所有事項(xiàng)，他們?yōu)榇私ㄔ炝艘粋€(gè)模型，以此考慮所有已知的太陽系天體引力影響、太陽氣象、太陽輻射壓、信號在行星際空間傳播過程中的廣義相對論等影響。

當(dāng)這些因素被注入到探測器軌道模型中，安德森團(tuán)隊(duì)希望看到接收到的信號同預(yù)言的幾毫赫茲以內(nèi)相匹配，但沒有。1980年代，安德森等注意到一個(gè)更加顯著的差異時(shí)——處于幾十毫赫茲的水平——事情很快變得清晰了：差異并不僅僅是隨機(jī)噪聲。

如果在探測器上施加一個(gè)微小、常數(shù)朝向太陽的力的話，那么導(dǎo)航模型的精度可以被修復(fù)。然而，這在已知的物理學(xué)領(lǐng)域并沒有現(xiàn)成的解釋。1998年，當(dāng)這一發(fā)現(xiàn)在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表后，理論物理學(xué)家便迅速以各種提議來回應(yīng)，但仍有揮之不去的疑慮。

熱輻射是其中的一個(gè)主要候選者?！跋闰?qū)者”的RTG效率十分低下，發(fā)生器給每個(gè)探測系統(tǒng)提供大約100瓦電力，在這情況下它們向太空中輻射了2.5千瓦的熱量。難道“先驅(qū)者”的輕微減速能通過一個(gè)微小的不對稱得到解釋？如果僅僅60瓦熱量在探測器的后方被輻射掉，那么動(dòng)量守恒會(huì)使它們在朝向地球的另一個(gè)方向反沖，這或許可以用來解釋這種異常。

安德森團(tuán)隊(duì)為此花了幾年時(shí)間擬定了一個(gè)研究方案：處理了來自“先驅(qū)者”10號10多年的數(shù)據(jù)以及“先驅(qū)者”11號幾乎4年的數(shù)據(jù)，編制了一個(gè)關(guān)于誤差可能來源的目錄，并在2002年發(fā)表了一篇近60頁的文章，詳細(xì)描述了所有可能涉及的問題。

安德森團(tuán)隊(duì)推斷熱反沖或許并不能解釋“先驅(qū)者”異常。原因有二：一是，在長達(dá)2.5米吊桿上的RTG，似乎不可能存在多余的熱量反射探測器；二是，探測器的減速在量級上似乎是常數(shù)。如果RTG成為“先驅(qū)者”異常的原因，那么這個(gè)效應(yīng)在量級上應(yīng)當(dāng)減少，因?yàn)轭?38衰減而產(chǎn)生更少的動(dòng)力，進(jìn)而產(chǎn)生更少的熱量。

幸運(yùn)地是，“先驅(qū)者”10號和11號絕大部分的遙測數(shù)據(jù)都被保存了下來。前“先驅(qū)者”研究團(tuán)隊(duì)工程師拉里·凱洛格（Larry Kellogg）幾乎擁有這兩個(gè)探測器的所有主數(shù)據(jù)記錄。2005年，在對這些遙測數(shù)據(jù)展開研究的過程中，他們與凱洛格一直保持著聯(lián)系。

數(shù)據(jù)：成就問題最終解決

數(shù)據(jù)的獲取對于破解“先驅(qū)者”異?，F(xiàn)象非常之重要。在遙測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，安德森團(tuán)隊(duì)開始收集包括多普勒在內(nèi)所有與“先驅(qū)者”相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，包括JPL的電腦硬盤、美國太空科學(xué)數(shù)據(jù)中心，甚至是JPL樓梯下的紙箱。最后在數(shù)據(jù)的支撐和多方配合下，“先驅(qū)者”10號的時(shí)間跨度增加到了23年，“先驅(qū)者”11號增加到了10年。

在JPL樓梯下紙箱中發(fā)現(xiàn)的保存有“先驅(qū)者”10號和11號數(shù)據(jù)的磁帶

在JPL，測控團(tuán)隊(duì)分析了擴(kuò)充后的多普勒觀測數(shù)據(jù)。如同對原始軌道分析一樣，他們把所有能影響信息傳輸?shù)囊蛩?，諸如地球轉(zhuǎn)動(dòng)與接收天線的位置、地球和太陽的氣候環(huán)境，以及整個(gè)時(shí)間跨度——“先驅(qū)者”10號31年、“先驅(qū)者”11號17年——作為變化中的通信戰(zhàn)略來考慮。隨著分析的逐漸完善，他們發(fā)現(xiàn)多普勒數(shù)據(jù)仍然在統(tǒng)計(jì)上存在一個(gè)不變的減速，而且這個(gè)隨時(shí)間減速的值能更好地與數(shù)據(jù)吻合。

為了找出答案，JPL招募了一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)，由熱氣流建模專家加里·金塞拉（Gary Kinsella）領(lǐng)導(dǎo)，負(fù)責(zé)構(gòu)建 “先驅(qū)者”10號、11號的熱氣流模型。最終，模型把探測器表面分成了3 300塊，并整合了構(gòu)建探測器材料熱性能的所有記錄。結(jié)果，估算出“先驅(qū)者”在飛行過程中的不同時(shí)間段的熱反力沖量級。當(dāng)把模型同“先驅(qū)者”的溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)探測器卻經(jīng)歷著一個(gè)大小相當(dāng)?shù)臒岱礇_力，相當(dāng)于在深空20年后超過大約60瓦。

金塞拉團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)力的一半來自RTG的熱量（從探測器天線后面反射回來）；另一半來自探測器核心電路的電加熱 （絕大部分從探測器后面的百葉窗輻射出去），這兩股熱量致使探測器異常的減速。

在“先驅(qū)者”異常發(fā)現(xiàn)的30年以后，現(xiàn)在我們可以說根本沒有什么奇特的原因?qū)е?“先驅(qū)者”異常，這一令人困惑的減速是由探測器本身產(chǎn)生的不對稱輻射造成的。

對于一些人而言，這一結(jié)論似乎是令人失望的。然而，實(shí)際上這一異常卻鞏固了“先驅(qū)者”10號、11號的歷史地位：它們完成了愛因斯坦引力理論一個(gè)高精度驗(yàn)證，到達(dá)的距離幾乎是冥王星和太陽之間距離的兩倍，目前還沒有一個(gè)探測器能進(jìn)行如此的實(shí)驗(yàn)。“先驅(qū)者”10號、11號仍然是目前最精確的深空探測器。

從發(fā)現(xiàn)“先驅(qū)者”異常原因的漫長過程中，數(shù)據(jù)的重要性顯現(xiàn)無疑。因?yàn)樵凇跋闰?qū)者”任務(wù)的早些年代，科學(xué)家或工程師常常認(rèn)為媒體比數(shù)據(jù)更有價(jià)值。一旦“有用”的科學(xué)或技術(shù)被抽取出以后，許多人便認(rèn)為原始數(shù)據(jù)就一文不值了?，F(xiàn)今，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或許是廉價(jià)的，但當(dāng)涉及數(shù)據(jù)保存或管理時(shí)，我們?nèi)匀蝗狈h(yuǎn)見或是短視的。每次的實(shí)驗(yàn)都需要保存好這些原始觀測數(shù)據(jù)，即使在幾十年后，這些數(shù)據(jù)仍然可讀可用。這也許是未來我們要解決的下一個(gè)謎題。