美國“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器異常的原因

李有觀

40多年前，美國發(fā)射了兩個(gè)探索外太陽系的探測(cè)器——“先驅(qū)者”號(hào)，后來都出現(xiàn)了意外的減速現(xiàn)象，被稱為“‘先驅(qū)者號(hào)異?！?。維克多·托思是一位軟件工程師，斯拉瓦·圖里謝夫是一位理論物理學(xué)家，目前都在位于美國加利福尼亞州帕薩迪納市的美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作。為了解開“‘先驅(qū)者號(hào)異?！敝i，他們花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間。

現(xiàn)在，我們終于知道了其中的原因。

1972年3月2日和1973年4月6日，美國航空航天局先后發(fā)射了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器。這兩個(gè)探測(cè)器是真正的探索宇宙的先驅(qū)者，它們使人類第一次近距離觀察到太陽系小行星帶之外的世界。它們也留下了一個(gè)謎，一個(gè)多年以來困擾和激勵(lì)著天體物理學(xué)家的謎。

像許多謎團(tuán)一樣，一開始人們只是發(fā)現(xiàn)有些不對(duì)勁?！跋闰?qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)越過木星和土星的軌道之后不久，導(dǎo)航員開始注意到一些意想不到的情況。兩個(gè)探測(cè)器的飛行速度似乎都比控制人員預(yù)測(cè)的要慢，好像有一股力量在緩慢地把它們拉向太陽的方向。

探測(cè)器的減速幅度極小，只有我們?cè)诘厍虮砻娓惺艿降闹亓铀俣鹊氖畠|分之一。起初，這么小的影響似乎沒有什么特別之處，可以把它當(dāng)作一種簡單的修正，航天器的導(dǎo)航員就經(jīng)常為了調(diào)整探測(cè)器動(dòng)作中因燃料泄漏等引起的一些小的、暫時(shí)性的偏差。如果不是因?yàn)橐粋€(gè)令人困擾的細(xì)節(jié)，沒有人會(huì)關(guān)注這件事：多年來，隨著探測(cè)器不斷向太空深處移動(dòng)，這種微小的差異一直存在。沒有人知道它是如何產(chǎn)生的。

在首次發(fā)現(xiàn)超過15年之后，這種異?，F(xiàn)象最終于1998年被公布，不久就出現(xiàn)了許多可能的解釋。對(duì)遙遠(yuǎn)恒星爆炸的研究表明，宇宙正在加速膨脹?！跋闰?qū)者”號(hào)探測(cè)器減速的幅度正好處于合理的范圍內(nèi)，這表明我們可能是在太陽系內(nèi)看到了這種膨脹。但這只是一種可能性。一些人懷疑這兩個(gè)探測(cè)器被一種看不見的暗物質(zhì)云團(tuán)或其他物質(zhì)牽引，導(dǎo)致萬有引力定律在大范圍內(nèi)受到破壞。還有一些人認(rèn)為，這可能是“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了額外維度或奇異的“鏡像物質(zhì)”的第一個(gè)證據(jù)。

總共有數(shù)百篇論文試圖用新物理學(xué)來解釋“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的異?，F(xiàn)象，但這些解釋中沒有一個(gè)能令人完全滿意，而且一直存在著一個(gè)更普遍的看法——也許是探測(cè)器本身某些方面的原因造成的。維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫經(jīng)過搜尋失蹤的探測(cè)器記錄、詳細(xì)研究機(jī)載傳感器和導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及精心模擬探測(cè)器及其飛行軌跡之后，堅(jiān)信我們終于知道了答案。他們努力找出這種異?，F(xiàn)象的根源，這既是一個(gè)偵探故事，也是一個(gè)警示性故事，說明了保存看似沒有多大作用的數(shù)據(jù)的重要性。

要了解“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的異常，從其開始設(shè)計(jì)談起或多或少會(huì)有些幫助。在20世紀(jì)60年代中期，當(dāng)專家設(shè)想研制“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器時(shí)，還沒有任何航天器被送到火星的軌道上。沒有人知道穿越火星和木星之間的小行星帶會(huì)有多大風(fēng)險(xiǎn)，也沒有人知道承受環(huán)繞氣態(tài)巨行星的強(qiáng)烈輻射區(qū)有多困難。但“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的設(shè)計(jì)師仍然認(rèn)為他們擁有完成這些任務(wù)所需的技術(shù)。

在木星軌道上，太陽光的亮度大約是地球軌道的4%，太暗了，無法給探測(cè)器的太陽能電池板提供能量。因此，每個(gè)探測(cè)器都攜帶了一套四個(gè)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（簡稱RTG），放置在與探測(cè)器敏感儀器相距一段安全距離的長桿上，就像一對(duì)兔子耳朵一樣。這些發(fā)生器使用雙金屬熱電偶將來自钚-238的放射性衰變產(chǎn)生的熱量直接轉(zhuǎn)化為電能。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器非?？煽浚核鼈儧]有移動(dòng)部件，燃料的半衰期長達(dá)88年，意味著探測(cè)器將有足以使用幾十年的能量。

“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)上最大的單一部件是高增益天線，它是一個(gè)大圓盤，直徑2.74米，其作用是在飛出火星軌道后與地球通信。探測(cè)器可以沿著天線的軸線旋轉(zhuǎn)以保持穩(wěn)定。探測(cè)器的天線指向一個(gè)一致的方向，因此不需要頻繁地校正姿態(tài)。如果天線沒有對(duì)準(zhǔn)地球，輸入信號(hào)后，專門的電路會(huì)在探測(cè)器旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)整天線的方向。探測(cè)器的大部分控制儀器和科學(xué)儀器都安裝在這個(gè)圓盤背后，有專門的電路打開散熱窗，以釋放多余的熱量。每個(gè)探測(cè)器上都有防止儀器受到輻射的裝置以及磁力計(jì)。

擁有了上述基本技術(shù)，“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)探測(cè)器向以前沒有人探索過的太空前進(jìn)?！跋闰?qū)者10”號(hào)于1972年3月2日發(fā)射，它穿越小行星帶并于1973年12月飛過木星，其單像素光電探測(cè)器緩慢旋轉(zhuǎn)，以拍攝巨行星的照片。“先驅(qū)者11”號(hào)于1973年4月6日發(fā)射，執(zhí)行一項(xiàng)更加重要的任務(wù)：在“先驅(qū)者10”號(hào)飛行一年后飛越木星，利用氣態(tài)巨行星的重力改變航向。5年之后，“先驅(qū)者11”號(hào)飛抵土星環(huán)。

隨著探測(cè)器逐漸遠(yuǎn)離地球，地球繞太陽的視運(yùn)動(dòng)也隨之減弱。因此，需要推進(jìn)器點(diǎn)火以調(diào)整定向天線的方向的次數(shù)也越來越少。這使得探測(cè)器基本上成為彈道物體，即受重力等外力作用而接近理想飛行狀態(tài)的探測(cè)器。

由美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家約翰·安德森領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員使用這些幾乎是無源的探測(cè)器飛行數(shù)據(jù)，對(duì)太陽系外的重力環(huán)境進(jìn)行了高精度的測(cè)量。這個(gè)團(tuán)隊(duì)（包括斯拉瓦·圖里謝夫）專門尋找可能是因沒有發(fā)現(xiàn)的行星或在宇宙大爆炸過程中產(chǎn)生的特長波引力波而引起的飛行軌跡的微小變化，但沒有什么發(fā)現(xiàn)。相反，他們的研究發(fā)現(xiàn)了完全出乎預(yù)料而且難以解釋的事情。

為了把“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)作為重力探測(cè)器，約翰·安德森領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要依靠美國航空航天局的深空網(wǎng)絡(luò)從地球發(fā)送的信號(hào)。深空網(wǎng)絡(luò)由位于世界三個(gè)不同地點(diǎn)的擁有大型無線電天線的深空通信設(shè)施構(gòu)成。這些天線向“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)送了2.11千兆赫的無線電信號(hào)，“先驅(qū)者號(hào)”探測(cè)器上沒有精密振蕩器，它利用入射波束的頻率將其返回信號(hào)調(diào)制為2.29吉赫（GHz）。

根據(jù)著名的多普勒效應(yīng)，如果信號(hào)源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的無線電信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化。通過測(cè)量“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)從2.29吉赫偏移了多少，地面操作員就可以知道探測(cè)器相對(duì)于地球的視向速度。在探測(cè)器足夠長的飛行軌跡上反復(fù)測(cè)量視向速度可用來確定其路徑。

當(dāng)然，為了找出任何未知的影響，團(tuán)隊(duì)必須考慮所有可能改變探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)或其發(fā)送信號(hào)頻率的因素。美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)航員必須建立一個(gè)考慮各種因素的模型，包括太陽系所有已知物體的引力影響、太陽氣象、太陽輻射壓力、廣義相對(duì)論對(duì)信號(hào)傳播的影響、信號(hào)發(fā)送和接收時(shí)的大氣濕度以及地球磁極的旋進(jìn)。

當(dāng)上述因素被輸入每個(gè)探測(cè)器飛行軌跡的模型中時(shí)，團(tuán)隊(duì)期望看到接收無線電信號(hào)的頻率與預(yù)測(cè)的誤差在幾毫赫以內(nèi)。但結(jié)果不是這樣。從1980年開始，安德森及其同事注意到一個(gè)更大的偏差。在幾十毫赫的水平上。很明顯，這種差異不只是隨機(jī)的噪音。

1998年，美國的《物理評(píng)論快報(bào)》公布了這種異?，F(xiàn)象，隨后理論物理學(xué)家提出了自己的看法。

其中熱輻射被認(rèn)為是主要的原因?！跋闰?qū)者”號(hào)探測(cè)器搭載的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器的效率很低，只能向探測(cè)器提供大約100瓦的電力，但同時(shí)會(huì)向太空釋放2.5千瓦的熱量。“先驅(qū)者號(hào)”探測(cè)器出現(xiàn)的輕微減速可以用微小的不對(duì)稱來解釋。如果每個(gè)探測(cè)器背面（天線背面）輻射出60瓦的熱量，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，就會(huì)向另一個(gè)方向（朝向地球）產(chǎn)生反沖力，異?，F(xiàn)象則得到解釋。

美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)花了幾年時(shí)間準(zhǔn)備進(jìn)行一項(xiàng)全面的研究。他們處理了“先驅(qū)者10”號(hào)超過10年的多普勒測(cè)量數(shù)據(jù)和“先驅(qū)者11”號(hào)近4年的類似數(shù)據(jù)，編制了所有可能的誤差和偏差來源清單（包括機(jī)載熱量），最終在2002年發(fā)表了一篇近60頁的論文，詳細(xì)闡述了所有這些問題。

該團(tuán)隊(duì)的結(jié)論是，“先驅(qū)者”號(hào)的異?？赡懿皇怯蔁彷椛湓斐傻摹Ｓ袃蓚€(gè)原因：第一，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器位于從探測(cè)器機(jī)體延伸出2.5米的長桿上，其釋放的余熱似乎不太可能產(chǎn)生足夠的反沖力（該團(tuán)隊(duì)估計(jì)，可能只有1/10）；第二，兩個(gè)探測(cè)器的減速值在發(fā)射后的幾十年間基本是不變的。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器造成了“先驅(qū)者”號(hào)的異常，隨著钚-238的衰減，產(chǎn)生的能量逐漸減少，熱量也更少，減速效應(yīng)也應(yīng)減小。

但人們依然存在疑慮。對(duì)熱反沖力的估算并不是非常精確；雖然不斷的反沖力似乎可以解釋這種異?，F(xiàn)象，但沒有人能真正排除它隨著時(shí)間的推移正在逐漸減少的可能性。

如何解決這個(gè)問題呢？當(dāng)然是使用更多的數(shù)據(jù)和進(jìn)行更多的分析。維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫希望盡可能精確地確定探測(cè)器到底釋放出了多少熱量，以及由此產(chǎn)生的力量能否解釋飛行軌跡的異常。為此，他們需要兩組關(guān)鍵信息：工程師監(jiān)視探測(cè)器運(yùn)行的管理數(shù)據(jù)和多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)，而且要盡可能多。

幸運(yùn)的是，“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的遙測(cè)數(shù)據(jù)大部分被保存下來，可供研究使用。雖然美國航空航天局沒有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，但艾姆斯研究中心的承包商和“先驅(qū)者”號(hào)團(tuán)隊(duì)前成員、系統(tǒng)工程師拉里·凱洛格非正式地保留了他們可以得到的所有“先驅(qū)者”號(hào)數(shù)據(jù)。凱洛格擁有兩個(gè)探測(cè)器幾乎所有的主數(shù)據(jù)記錄，即包括“先驅(qū)者”號(hào)所有科學(xué)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件。

這些數(shù)據(jù)共有40GB。2005年，當(dāng)維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫決定認(rèn)真研究這些遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)有人開發(fā)了一種新的軟件，可以從主數(shù)據(jù)記錄中提取有用信息，而無須使用舊的、過時(shí)的大型主機(jī)。

要獲取更多的可能有助解開謎團(tuán)的多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)則有些棘手。美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)已收集到所有易于找到和使用的無線電數(shù)據(jù)文件，但維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫需要更多的測(cè)量數(shù)據(jù)。在花了一些時(shí)間后，他們?cè)诿绹娇蘸教炀謬姎馔七M(jìn)實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬盤和國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心的檔案中找到了更多數(shù)據(jù)，甚至在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的樓梯下發(fā)現(xiàn)了裝在紙箱內(nèi)的磁帶。有些文件的保存狀況相當(dāng)糟糕，在30年的時(shí)間內(nèi)，從一種存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換為另一種存儲(chǔ)格式時(shí)出現(xiàn)損壞。

為了找到這些文件并使之可用，他們得到了一個(gè)非盈利空間倡導(dǎo)組織——“行星協(xié)會(huì)”——的資金支持。美國航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的物理學(xué)家克雷格·馬克沃特幫助恢復(fù)了損壞的文件，并且使所有多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)可以使用。最終，維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫獲得了多1倍的可用多普勒測(cè)量數(shù)據(jù)，使“先驅(qū)者10”號(hào)的軌道數(shù)據(jù)跨度增加到23年，“先驅(qū)者11”號(hào)的軌道數(shù)據(jù)跨度增加到10年以上。

在美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，資深導(dǎo)航員尼爾·莫丁格和約旦·艾利斯對(duì)多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。與最初的軌道分析一樣，他們必須考慮任何可能影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩兀ǖ厍虻淖赞D(zhuǎn)、接收天線的位置以及地面和太陽的氣象，還必須考慮探測(cè)器能夠發(fā)回可用于精確導(dǎo)航的信號(hào)的通信方式在過去的時(shí)期內(nèi)（“先驅(qū)者10”號(hào)是31年，“先驅(qū)者11”號(hào)是17年）發(fā)生的變化。通過他們的完整分析，維克多·托思和斯拉瓦·圖里謝夫發(fā)現(xiàn)，多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上與探測(cè)器恒定的減速保持一致，而且隨著時(shí)間的推移，其減速值與數(shù)據(jù)能夠更好地吻合。

如果減速效應(yīng)隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，他們推測(cè)，由放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生的逐漸衰減的熱量可能是造成這種異常的原因。

為了找到答案，他們邀請(qǐng)了美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一組工程師，在經(jīng)驗(yàn)豐富的航天器熱性能建模專家加里·金塞拉的帶領(lǐng)下，構(gòu)建了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的精確熱模型。該團(tuán)隊(duì)最終構(gòu)建的幾何模型將每個(gè)探測(cè)器分成3300塊，并整合了有關(guān)探測(cè)器材料的熱性能的記錄。研究者使用這個(gè)模型來顯示熱量是如何在不同部位流動(dòng)和輻射的，并且根據(jù)這些結(jié)果，估計(jì)了“先驅(qū)者”號(hào)在飛行過程的不同時(shí)間里熱反沖力的大小。在將模型與“先驅(qū)者”號(hào)的溫度和電氣讀數(shù)對(duì)比后，研究者發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器確實(shí)受到一定的熱反沖力，相當(dāng)于輻射超過60瓦的熱量產(chǎn)生的力。按地球的標(biāo)準(zhǔn)來看，這個(gè)力非常小，大約與汽車遠(yuǎn)光燈發(fā)出的光子對(duì)汽車的反沖力差不多。研究者發(fā)現(xiàn)，一半的力來自放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生并從天線背面輻射出的熱量，另一半來自探測(cè)器中心電路的電熱。大部分熱量通過探測(cè)器背面的散熱窗輻射出去，而散熱窗未與其他部分良好隔熱，因此進(jìn)一步促進(jìn)了減速。

研究者還利用多普勒效應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算了探測(cè)器的熱反沖力，即與探測(cè)器飛行軌跡相匹配所需的力。當(dāng)他們將這個(gè)獨(dú)立的估算與從探測(cè)器模型中得到的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)值的匹配誤差在20%以內(nèi)?？紤]到其中的不確定性，可以認(rèn)為沒有統(tǒng)計(jì)上的明顯差異。在被發(fā)現(xiàn)30多年之后，研究者現(xiàn)在終于可以說，“先驅(qū)者”號(hào)異常沒有奇特的原因：令人費(fèi)解的減速是由探測(cè)器產(chǎn)生的不對(duì)稱散熱引起的。

對(duì)一些人來說，關(guān)于這樣一個(gè)長期存在的謎團(tuán)，這似乎是個(gè)令人失望的結(jié)論。但是，對(duì)這種異常現(xiàn)象的解釋實(shí)際上鞏固了“先驅(qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)的歷史地位。這兩個(gè)探測(cè)器完成了不太可能在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)的任務(wù)：它們對(duì)愛因斯坦的重力理論做出了高精度驗(yàn)證；到達(dá)的距離是冥王星與太陽之間距離的2倍；至今仍沒有其他探測(cè)器可用于這樣的測(cè)試（或出現(xiàn)這種微小的異常），后來的探測(cè)器或是過于依賴推進(jìn)器，或是沒有連續(xù)跟蹤，或是行程不夠遠(yuǎn)?！跋闰?qū)者10”號(hào)和“先驅(qū)者11”號(hào)仍然是迄今導(dǎo)航最精確的深空探測(cè)器，并可能在未來的許多年內(nèi)保持這個(gè)稱號(hào)。

上述研究還說明了保存數(shù)據(jù)的重要性。在“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器的早期任務(wù)中，科學(xué)家和工程師通常認(rèn)為媒體比數(shù)據(jù)更有價(jià)值。許多人認(rèn)為，一旦“有用”的科學(xué)和技術(shù)信息被提取出來以后，原始數(shù)據(jù)就毫無價(jià)值了?，F(xiàn)在，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可能很便宜，但在數(shù)據(jù)保管方面，仍然存在目光短淺的危險(xiǎn)。研究者認(rèn)為，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都需要制訂明確的計(jì)劃，以確保原始觀測(cè)數(shù)據(jù)在未來數(shù)十年內(nèi)仍然可用和可讀。這很可能是研究人員解決下一個(gè)令人困惑的謎團(tuán)的唯一方法。