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下一个进入星际空间的航天器将会是哪个?最快可能就在下个十年!

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发表于 2019-2-1 00:55:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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旅行者2号探测器穿越太阳系的画面。来源:美国国家航空航天局

2018年12月,美国国家航空航天局(NASA)的旅行者2号(Voyager 2)宇宙飞船跟随其姊妹“旅行者1号”(Voyager 1)的脚步进入了星际空间。包括“旅行者”号在内,目前发射过的航天器只有5艘能够飞越如此遥远的距离。剩下的三艘航天器分别是先驱者10号和11号,以及新视野号。那下一个飞越出星际空间的航天器会是哪一个?

到达星际空间这个里程碑可以被认为是离开了太阳系,但让我们先弄清楚这意味着什么。1990年,《纽约时报》报道说,先驱者号在飞越海王星轨道时离开了太阳系。然而,旅行者2号的科学家们则没有用这个标准来决定旅行者2号是否离开了太阳系。相反,最近的测量认为,离开了太阳的日球顶(理论上的日球层边界)才是进入星际空间的决定标志。日球层是由太阳产生的带电粒子经过而形成的气泡,科学家们用它来标记星际空间的起点。

但是日球层非常复杂,并且随着太阳22年的太阳周期变化而变化,随着太阳风而收缩和拉伸,并沿着太阳的运行方向向太阳后方伸展。所以从地球上测量日球层并不容易。美国国家航空航天局(NASA)的星际边界探测器(IBEX)任务正在努力地远程确定气泡的边缘(日球层是那个气泡,日球层顶是它的边缘)。

旅行者号探测器的观测表明,它们已经穿透了这个气泡。然而,由于研究人员认为太阳除了被日球层包围之外,也被奥尔特云(Oort Cloud)所包围,奥尔特云是一片由冰体组成的区域,据估计其范围从1000到10万个天文单位不等,远远超出了日球层顶,旅行者号探测器目前还不能被认为完全飞出了太阳系。(一个天文单位,或AU,是地球和太阳之间的距离——9300万英里,或1.5亿公里)。

当旅行者1号和2号穿越太阳风顶时,当时仍然能正常运行的粒子仪器向我们揭示了这一历史事件。因为日球层起着屏蔽作用,遮挡住了其他恒星发出的宇宙射线所产生的许多高能粒子,所以仪器通过跟踪在太阳系内部发现的低能粒子和来自太阳系外部的高能粒子,仪器就可以揭示宇宙射线的突然激增,提醒科学家们宇宙飞船已经离开了太阳系。

那么下一个进入星际空间的宇宙飞船是什么呢?

日球层不断变化的性质使得我们无法判断先驱者10号和11号会在什么时候进入星际空间。事实上,它们中的一个可能已经进入了星际空间了。

根据美国国家航空航天局(NASA)的电子书《超越地球:深空探索编年史》(Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration),截至2017年11月5日,先驱者10号距离地球约118.824个天文单位,是除旅行者1号以外距离地球最远的航天器。然而,当先驱者11号和旅行者2号都朝着太阳运行方向的前面前进时,先驱者10号却朝着太阳运行后面的方向前进。根据2017年的研究,日球层的尾部距离太阳约220 AU,由于先驱者10号每年的行程约为2.5 AU,因此先驱者10号应该会在2057年才能到达不断变化的太阳系边界。

根据同一本电子书,截至2017年11月5日,“先驱者11号”距离地球约为97.6天文单位。与它的孪生兄弟不同的是,先驱者11号的飞行方向与两艘旅行者号的飞行方向大致相同。旅行者2号在120个天文单位的地方进入星际介质。而由于先驱者11号以每年2.3 AU的速度飞行,假设太阳系的边界不会改变的话,它应该会在2027年左右进入星际空间(但其实太阳系边界很可能会改变)。

那这三艘宇宙飞船中最新的一艘——新视野号呢?2019年1月1日,这艘宇宙飞船进行了最近一次飞越太阳系天体的飞行,在飞越期间,“新视野号”距离太阳43天文单位,它的发射时间远远晚于其他四艘航天器。新视野号的任务的首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)说,飞船每年飞行3.1个天文单位,或者说10年内飞行31个天文单位。再过个20年,飞船有相当大的机会进入星际空间。如果“新视野”号越过旅行者2号越过的相同边界(它不会,但只是作为基线来考虑),它将在2043年,也就是不到24年的时间里完成这趟旅程。但ISM的这条线有可能向内移动,所以新视野号有可能会更快地越过这条线。

虽然我们无法直接确认先驱者号宇宙飞船是否穿越了太阳风顶,但新视野号在穿越到星际空间的时候仍有可能是在继续运行的,并将为我们提供星际空间的详细研究。斯特恩说,它携带的粒子探测器比旅行者号上搭载的粒子探测器要强大得多。此外,“新视野”号还携带了一个灰尘探测器,它可以为我们提供对日球层以外区域的观察。

“在星际介质中放置一个尘埃探测器将是一次非常宝贵的经历,”他说。

但到时候新视野号是否还能正常运转都还是个问题。斯特恩认为,动力是一个很大的限制因素。新视野号的燃料是衰变的二氧化钚,斯特恩说,这艘宇宙飞船有足够的动力工作到本世纪30年代末,目前运行状况良好。

如果不断变化的日球层保持静止(这不大可能发生),先驱者11号将会在2027年成为下一个穿过日球顶的航天器,接着是2043年的新视野号,而这五艘航天器中最先发射的先驱者10号将于2057年最后离开日球层。最后还是要强调一下,这样的预测是建立在假设未来40年里日球层顶保持静止的基础上的,而这种假设非常不现实。

如果你对这些宇宙飞船在长跑比赛中什么时候会“超过”对方感兴趣,大卫·克兰诺在他的博客中计算出了这些数字。克兰诺在航天界工作,但他从未参与过这五次任务中的任何一次。需要说明的是,这些航天器都在不同的路径上运行,所以它们不会像在公路上运行那样可以彼此擦身而过。不过随着时间的推移,距离地球最远和最近的航天器将会发生变化。

克兰诺说:“我一直对旅行者号和先驱者号很感兴趣,当一些文章提到‘新视野号’比先驱者号飞得更快时我就很好奇它们什么时候会相遇。”

利用有限的数据,他发现旅行者1号在1982年至1983年间超过了先驱者11号。他估计旅行者2号在1988年3月左右也超过了先驱者11号,尽管旅行者2号的速度和方向变化表明这次超越可能要更早一些。

克兰诺警告说,由于新视野号超越先驱者10号和11号都是在遥远的将来才会发生的事,因此这些数字的误差幅度将非常大。根据截至2017年12月的每艘飞船的飞行速度,他计算出新视野号将在2113年超过先驱者11号,并在2187年才会超过先驱者10号。

到时候记得看啊!

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