人类最伟大的飞行器，即将走向终结环球科学
4 月 17 日，美国航空航天局（NASA）宣布，为了尽可能延长 “旅行者” 1 号（Voyager 1）的寿命，让它在星际空间中坚持更长时间，工程师团队再次关闭了一台科学仪器 —— 低能带电粒子实验仪（LECP）。在距离地球 240 亿千米之外，这艘近半世纪前发射的探测器，仅靠着一颗持续衰减的核电池，仍在向更远处飞行。
这张艺术概念图展示了 “旅行者” 号在星际空间中穿梭的场景。（图片来源：JPL-Caltech/NASA）
“旅行者” 1 号是人类历史上飞得最遥远的探测器。自 2012 年穿越日球层顶后，它已进入真正的星际空间，成为第一件离开太阳风庇护的人造物体。即使在科学仪器逐一关闭的当下，它和 “旅行者” 2 号依然在挑战人类对于太阳系与星际空间边界的认知。
罕见天象的召唤
“旅行者” 号的诞生，得益于一次罕见的天体排列。
上世纪 60 年代，一位科学家在绘制外行星运动轨迹时发现：在 20 世纪 70 年代末，木星、土星、天王星和海王星将排列成一种极其有利的几何构型。利用行星引力助推效应，一艘探测器可以接连借助四颗巨行星的引力，不断加速，无需额外燃料便能巡游整个外太阳系，大幅缩短飞行时间。原本前往海王星的旅程需要约 30 年，在这种情况下可缩短至约 12 年，这样的机会每隔 176 年才会出现一次。
起飞前，“旅行者” 2 号在美国航空航天局喷气推进实验室进行测试（左图）。这架航天器于 1977 年 8 月 20 日升空。（图片来源：JPL-Caltech/NASA）
NASA 抓住了这个百年难遇的机遇。为了分担任务极高的失败风险，NASA 设计了两个几乎一模一样的探测器 ——“旅行者” 1 号和 “旅行者” 2 号，并在 1977 年夏天相继将它们发射升空。尽管这两个航天器最初的主要目标是探测木星和土星，预计任务执行期也仅有 4 年，但工程师团队秘密地选择了更耐久的设计，即使增加少量成本也要延长潜在的工作时间。事实证明，这一前瞻性设计让 “旅行者” 号的寿命远超预期。
“旅行者” 1 号和 2 号先后飞越木星，让人类窥见了太阳系未知的样貌。它们发现木卫一（Io）是一个炼狱般的火山世界，木卫二（Europa）表面则覆盖着厚厚冰壳。这些发现彻底改变了人们对太阳系卫星的认知，它们并不是像月球一样是布满陨石坑的灰色天体，而是拥有多彩地质活动和潜在宜居环境的动态世界。
图片来源：《环球科学》2022 年 8 月刊《“旅行者” 号：最后的告别》
在土星附近，两艘探测器分道扬镳。“旅行者” 1 号近距离考察了土卫六（Titan），发现其浓密的大气主要由氮气组成。而 “旅行者” 2 号则继续前行，成为迄今唯一飞越天王星和海王星的航天器。它发现了天王星的倾斜磁场、新卫星和新光环，还记录到海王星上超音速的狂风。
这些首次近距离的观测，为我们带来了太阳系外行星及其卫星的新知，也彻底刷新了天文学家对行星系统的理解。
载着诗意远航
为了让 “旅行者” 号在飞越每颗行星时，都能独立完成观测、分析和记录，尽可能利用好收集到的科学数据，科学家为每艘探测器都配备了 10 台科学仪器，包括测量带电粒子、等离子体波、磁场、宇宙线等多种仪器。这些仪器能帮科学家研究行星磁层、卫星地质以及太阳风与星际介质的相互作用等特性。
在这些硬核的科学设备之外，两艘探测器还分别搭载了一张镀金铜质 “星际唱片”，也被称为 “金唱片”。其上记录了地球的自然声音、照片、音乐与多种语言的问候，还包括太阳系位置图、人类 DNA 结构等讯息，表达了人类对加入星际文明的希望与善意。
每个 “旅行者” 号都携带了一张记录着地球上声音和图像的金唱片，以备探测器被外星文明拦截。（图片来源：JPL-Caltech/NASA）
而搭载着科学仪器与诗意的 “旅行者” 号，在完成飞越外太阳系行星的任务后，逐步跨越了太阳系的层层边界。
它们最先遇到的是终端激波，太阳风会在这里与星际介质碰撞，并显著减速；随后是日球层鞘，太阳物质流速在此继续减缓直至翻转；最终是日球层顶，太阳风向外的压力与星际介质向内的压力会在这一边界处达到平衡。
日球层就像是太阳吹出的一个巨大 “泡泡”，它保护着太阳系内部免受大部分宇宙线的侵袭。
“旅行者” 1 号于 2012 年首次穿越日球层顶，旅行者”2 号在 2018 年随后跨越，科学家发现这一边界远比此前模型预测的更为复杂。这里的磁场方向变化不如预期明显，等离子体密度跃升却真实存在，太阳活动 11 年周期的影响依然能以微弱痕迹延伸到边界之外。这些发现颠覆了原有的理论，也揭示了日球层与星际介质交互的复杂动态过程。
“旅行者” 号原本只计划服役 4 年，如今却已在太空中跋涉了近半个世纪。支撑两艘探测器持续前进的，是利用钚 - 238 衰变产热发电的放射性同位素同位素热电机（RTG）。
但这颗核电池每年都会衰减，输出功率也在稳定地下降，大约每年减少 4 瓦。如今其剩余功率已降到发射时约一半，因此 NASA 工程师必须精打细算地管理探测器的能源消耗。
近几年来，NASA 按照计划关闭了 “旅行者” 号的加热器，切断备用系统，逐步关闭了一台台科学仪器。到现在，“旅行者” 2 号仅剩 3 台科学仪器仍在运转，“旅行者” 1 号则只剩下用于测量磁场与等离子体波的两台仪器，它们仍在帮科学家研究星际介质的粒子密度、压力锋面和磁场特性。最近关闭的低能带电粒子探测器已经工作了近 49 年，它曾帮助科学家识别出太阳风与星际介质的交界，让人们得以确认探测器真正进入了星际空间。
“没有人愿意关闭科学仪器，但这是目前最好的选择，”NASA 喷气推进实验室的 “旅行者” 号任务经理卡里姆・巴达鲁丁（Kareem Badaruddin）在接受 CNN 采访时说道。
但能源衰减带来的压力仍在不断逼近。
就在今年 2 月，在一次例行的姿态调整中，“旅行者” 1 号的功率突然异常下降。只要再低一点，探测器便可能启动欠压保护，自动进入安全模式，彻底终止收集科学数据。
工程师团队希望最新的 “牺牲” 能为 “旅行者” 1 号争取更多的时间，以便团队推出一项大胆的升级计划 —— 团队内部称之为 “大爆炸”（the Big Bang）。他们将一次性关闭大部分高耗电设备，同时启用更节能的替代系统，希望在保持探测器温度的同时，释放更多可用的电力。“旅行者” 2 号将率先尝试这一计划，如果成功，“旅行者” 1 号也会跟进，这甚至有望重新唤醒刚刚关闭的低能带电粒子探测器。
在 “旅行者” 1 号的最后一批照片中，有一张是从 61 亿千米外回首地球时拍下的照片。这就是 “旅行者” 号科学家卡尔・萨根口中的 “暗淡蓝点”。（图片来源 ：NASA/JPL-Caltech）
但即便如此，终点依然不可避免。预计到 21 世纪 30 年代，两艘探测器上的所有科学仪器都将陆续停止工作，并最终陷入沉寂。但在此之前，它们仍会从宇宙深处传来珍贵的数据。
这些数据不仅能告诉我们日球层形状、边界湍流以及太阳影响范围，也留下了大量未解之谜 —— 为什么边界处的磁场方向变化不明显？边界区域的粒子行为为何与模型预测存在偏差？这些疑问激发了科学家对新一代星际探测器的强烈渴望，他们提出了 “星际探测器” 计划，希望能从外部更全面地观测日球层。
当所有仪器最终陷入沉寂，“旅行者” 号的旅程并不会终止。它们将依次经过半人马座比邻星等邻近恒星，并在银河系中漫游。即便太阳演化到晚期，这些镀金唱片和探测器或许依然能保持相对完好，带着人类的声音、图像与善意，在宇宙中静静流浪。
