3年后,我国的“旅行者号”就将发射,目标是冲出太阳系
1977年,美国发射的旅行者1号和2号两个探测器,已经在太空中行进了44年,飞出了220多亿公里,成为目前人类成功发射并且距离地球最远的深空探测器。在探测器的行进征途中,它们不但向我们发回了太阳系外围行星及其行星的重要数据,而且对太阳辐射和宇宙辐射情况进行了监测和分析,对于我们更加准确和深入地了解太阳系打下了坚实基础。不过,由于当时的技术限制,这两个探测器的飞行速度还不快、电池耐用性还不强,早在20多年前,它们就不再往地球传回数据了,成为科学界的一大遗憾。
即使如此,不可否认,这两个探测器已经处在迄今为止人类进行深空探索的最高峰,然而这个探测范围,对于求知欲永远在线的人类来说,还远远不够。如果按照太阳系有效引力范围2光年计算,即使现在最远的旅行者1号,要想脱离太阳系,起码还得再飞行2万年左右。我们对旅行者1号和2号的感受,估计既有羡慕,也有遗憾。不过,令国人为之振奋的是,我国在未来几年内,也将开展一个举世瞩目的太空探测计划,那就是向着太阳系的边缘地带发射过去一颗深空探测器,用现在更加高精尖的技术,来弥补“旅行者1号”和“2号”当时的遗憾。
人类对太阳系边界认知的变化
人类对太阳系范围的认知,其实是伴随着科学理论发展和探测实践的进程,不断向前拓展的。在18世纪末期天王星被发现后,人们一度认为天王星是太阳系的边界。后来,又通过天王星的轨道异常,判定出外围势必还存在着一颗大质量行星,结果在19世纪中叶海王星被发现,太阳系边界进一步拓展。不过,科学家们发现,即便是海王星,其实际运行轨道也与模型计算的有出入,这为后来冥王星的发现奠定了基础。
虽然最后冥王星由于不能清除自身运行轨道内的其它天体,被“踢出”太阳系行星行列,但是却为后来多个类冥天体的相继发现、以及柯伊伯带的研究奠定了基础。从目前分析估算的情况看,柯伊伯带的范围为海王星轨道之外(距离太阳30个天文单位)一直延伸到50个天文单位,在这片中空圆盘状空间内,分布着大量的微小天体,截至目前发现的大型天体主要有冥王星、阋神星、鸟神星等。
至于柯伊伯带是如何形成的这个问题,传统观点认为是“失败的行星”说,只能形成聚合型的碎片,但最近的研究表明,柯伊伯带内的小天体,其原来的位置并不在那里,而是形成在海王星轨道附近,然后受到木星、土星、天王星和海王星引力的共同影响,最终被“甩”了出来,进入到柯伊伯带中。
然而,柯伊伯带也并非是太阳系的边界。因为从太阳的“有效”引力来看,其范围可以延伸到2个光年之外,也就是说没有超过这个范围,就谈不上摆脱太阳引力的束缚。据此,科学家们将柯伊伯带之外一直到2光年左右的空间,命名为奥尔特星云,不过这个概念仍然处于理论层面,科学界的主流观点认为,这里虽然星际物质比较稀少,但它却是太阳系中长周期彗星的“故乡”,人类目前对这一区域空间的探测,基本处于空白状态。
为什么太阳系的边缘地带有这么大的吸引力呢?
我们知道,太阳内部无时无刻不在向外释放着光和热,太阳辐射以太阳为中心,向四面八方传递。与此同时,来自宇宙外部的宇宙辐射,也无时无刻不在向着太阳系内部进发。因此,太阳系的内部和外部之间,势必会存在着这两种“辐射力量”的对抗,而达到平衡点的区域,则基本位于距离太阳约100个天文单位的区域。
从这个位置与太阳的距离来看,100个天文单位,已经超出了柯伊伯带的范畴了,基本上处于柯伊伯带外缘、步入奥尔特星云的“起步区间”。在这个位置层面上,太阳辐射与宇宙辐射的力量恰好达到了平衡,因此形成了“日球层顶”,在“层顶之内”太阳辐射占据上风,而在之外则宇宙辐射占据上风,最终构成了“日球层”与“星际空间”的交汇区。
旅行者1号和2号分别于2012年和2018年,先后冲出了日球层顶,分别进入星际空间,但遗憾的是,由于距离地球太过于遥远,并没有传回特别有价值的信息。虽然日球层顶之外的星际空间,距离太阳系的边缘仍然很远,但是这个区域的“空间地理位置”极为特殊,如果能够在这个区域开展深入探测,那么在深空探测中将会为我们展开一幅全新的“画卷”。比如:
宇宙辐射与太阳辐射的相互影响、宇宙辐射进入太阳系的作用机制、来自太阳的高能粒子与星际介质如何作用、日球层顶之外的星际空间到底是什么模样等等。与此同时,在距离太阳100个天文单位的位置,正好处于太阳引力透镜的焦点附近,那么如果在这个位置架上太空望远镜,可以观测到更加遥远的星际空间,甚至某些大型的系外行星也不在话下。基于这些原因,这片区域对于科学界来说,吸引力无疑是十分巨大的。
我国拟实施的计划
据中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁同志介绍,我国首次对太阳系边缘地带的探测活动,将于2024年进行火箭发射,标志着工作将正式启动。预计到2049年时,我国的探测器将抵达距离地球100天文单位的太阳系深处,对日球层顶区域的空间开始进行深入的探测活动。
这个计划的确让我们热血沸腾,心潮澎湃,如果按照这个计划实施,大约在3年后,承载着国人梦想、装载着深空探测器的火箭将正式发射升空,留给前期准备的时间也就这么多,在此期间势必会存在着许多困难亟待去攻克,主要有以下几个方面:
一是能源技术方面。需要在旅行者1号和2号装备的核动力电池结构的基础上,研发出能量更大、效率更高、耐受力更强的新一代放射性同位素温差电池,从而为健全更为高效的推进系统打下最关键的基础。
二是深空通信方面。需要在我国的“旅行者号”上搭载功率更高、更加节约能源的信号发射装置,同时也需要在我国境内建造灵敏度更高、接收和发射能力更强的深空测控通信系统,从而实现高质量、快反馈的信息传输模式。
三是轨道线路优化方面。在探测器行进的过程中,既要兼顾目的地的最优线路,同时也要考虑探测的综合性,也就是说在保障时间和安全的前提下,要尽可能地在沿途探测到更多的天体,这样就会极大放大性价比,提升探测质量。
四是科学载荷方面。出于经济性和可靠性,既需要在探测器的结构设计和设备选择上,选择轻便、耐受性强的材料,同时也需要尽量减少单个仪器设备的质量和空间占比,以及提高仪器设备的灵敏度和精确性,从而达到节约能源、提高自主性的目的,并为搭载更多的载荷预留空间,从而提高探测的覆盖度、准确度和全面性。
我国将于2024年发射的“旅行者号”,在宇宙空间中飞行25年后,按照既定计划将到达最近的日球层顶,这个飞行的速度,虽然与之前美国的旅行者1号差不了多少,但目的性更强,无论是能源提供、仪器设备选择、结构设计都更具有针对性。此外,我国还计划在2030年,应用更强劲可靠的核动力,以更高的速度来进行深空探测,并预计本世纪末对距离地球1000个天文单位的宇宙空间进行探测。
这里,向为我国航空航天和深空探测事业默默奉献的科学家们致敬!同时,也预祝接下来我国的深空探测工作,取得一个又一个辉煌的成就!