一项初始计划仅为四年的“旅行者”空间探测任务成就了迄今仍在运行、时间跨度长达几十年之久的星际之旅。就“旅行者”1号而言，到2025年左右可能因动力耗竭而停止工作，再也无法向地球传送数据。然而在运行期间，它们向人类呈现的结果既前所未有，又令人兴奋。
图1.“旅行者”1号、2号分别于1980年和1981年飞掠土星，并传回了土星前所未有的图像。2012年，“旅行者”1号成为了第一艘进入星际空间的探测器；不久“旅行者”2号也紧随其后
当1977年“旅行者”1号、2号空间探测器相继发射之时，国际上围绕深空探测计划开展已近20年了：1957年10月，前苏联发射了第一颗环绕地球的“人造地球卫星-1”；1962年12月、1965年7月，美国宇航局（NASA）的“水手”2号、4号探测器分别飞掠金星和火星；1970年代，“先驱者”10号、11号先后飞往木星和土星，并在1979年首次向人类呈现了这两颗行星的轮廓概貌。然而，对于系外行星（木星、土星、天王星和海王星）的探测，“旅行者”取得的成就更令人期待。
1989年，随着“旅行者”2号飞离海王星之后（其时“旅行者”已成功飞越了四颗外行星），便开始了新的星际任务：在炙热的太阳风和相对较冷的局部星际介质中首次进行直接的体验。就在“旅行者”发射之时，当时没有人知道这个边界会有多远，仅仅估计出超越木星轨道的大概距离，即5至50个天文单位（1个天文单位等于1.5亿千米，大约是太阳到地球的距离）。后来发现，这个边界远比任何人想象的要远得多。
在日球层（太阳和太阳风影响的区域），由于受到来自银河系磁场压强的约束，伴随着与太阳喷发出的高速带电粒子流（太阳风）形成的一个大气泡，这一现象是由等离子体和宇宙线所主导的――这些宇宙线起源于大约几百万年前的超新星爆发――其太阳风辐射流从每秒300千米减至每秒100千米的终端激波区域。在那里，太阳等离子体运动方向发生偏转，温度从10 000开尔文上升到100 000开尔文，形成了一个称做日球层鞘的区域，最终，等离子体不再向外流动。
越过这个区域就是日球层顶，即太阳系等离子体磁场和银河系等离子体磁场之间的边界。在边界之外，可能存在一个弓形激波（类似在水面上扔一块鹅卵石所产生的涟漪），只不过涟漪是由太阳运动产生的，包括日球层顶也包含在弓形激波中，其中充满了星际介质。在日球层顶对面，可能会形成一个犹如彗尾一样的低密度等离子体。
图2.“旅行者”目前仅有五台装置还在供电（“旅行者”2号上的等离子体传感器仍在运转），包括低能带电粒子探测器上的一个能将探测器旋转360度的电机被认为会失灵，但经历了38年的探测后仍在运转。
图3.上图显示了“旅行者”1号、2号星际交会期间的运动轨迹。前者于1980年朝向土星的黄道以北飞行，后者于1989年朝向海王星的黄道以南飞行。如果没有引力助推，它们就不会飞行得那么远。下图将逃逸太阳引力（虚线）及“旅行者”2号的速度（实线）进行了比较，给出了两者到达太阳径向距离的变化。实施在“旅行者”2号的引力助推速度净效果来自于木星、土星和天王星，这些速度都超过了太阳系的逃逸速度。
在之前与系外行星的四次交会过程中，“旅行者”启用了其所携带的全部仪器。由于探测器的动力是由放射性同位素热电发生机所提供，在接下来的星际任务中，为了节省能源，仅开启了其中五台必需的装置，分别是磁强计（测量环境磁场的大小及方向）；等离子体波天线（测量10赫兹至56千赫兹频率范围的等离子体波的电场分量）；宇宙线传感器（测量高能宇宙线和相对论性电子强度、组成和谱线）；低能带电粒子探测器（测量低能量粒子及流动方向）和等离子体传感器（测量太阳风离子和电子的特性）。
其中，每台装置所完成的特定测量，能够充分描述行星际和局部星际介质的特性。目前，等离子体传感器仍在“旅行者”2号上运行。
复杂的轨迹
事实上，让“旅行者”探测任务顺利实施绝非易事。因为从地球上发射的火箭其推力难以使探测器越过木星的轨道。而借助引力助推技术则可改变探测器的速度及运动方向，即行星的引力犹如一把弹弓，将动量添加到探测器轨道的能量中把探测器推出太阳系――引力助推技术可以使探测器到达距离太阳更远的地方。包括逆向飞掠，即探测器沿着行星自转的反方向飞行，以此可以减少动量、能量和改变探测器的方向。如果行星处在适当的位置，引力助推可以将探测器送往更远的另外一颗行星。
1965年，美国喷气推进实验室（JPL）的加里·弗兰德罗（Gary Flandro）指出，这种机率每176年才出现一次，探测器可以最短的时间从一颗行星飞往另一颗行星，而且其逃逸速度快于太阳系7公里/秒。这意味着太阳的引力不再是制约探测器速度的因素了。这次机会就出现在1977年，JPL为此承担了探测器及飞行轨道设计的工作。
图4.上图为太阳和日球层截面图。喷射出的太阳风和其压强与星际介质作用后产生的大气泡。太阳风在终端激波处开始减速。下图显示了“旅行者”在穿过终端激波之前，来自太阳的带电粒子逐渐减少。
在早期的设计中，JPL团队计划“旅行者”1号在遇到土星后便飞往冥王星，而实际上，“旅行者”1号飞越土星后径直近距离飞掠了土星最大的卫星――土卫六；随后便沿着一条日心轨道朝向太阳向点的方向飞行。太阳向点指的是太阳系相对于局部恒星群运动的方向（见图3）。
利用木星、土星、天王星及海王星的特殊位置排列，“旅行者”2号在飞越木星时获得相对于太阳的10千米/秒的速度，飞越土星时获得4千米/秒的速度，在天王星与海王星处分别获得2千米/秒和-3千米/秒的速度（速度降低原因是近距离飞掠海王星的卫星――海卫一――进行了逆向飞掠）。然而，“旅行者”2号的日心速度为15.6千米/秒，远远超过太阳系的逃逸速度。
从1979年到1989年，“旅行者”行星飞越的发现征服了公众的想象力，并呈现出前所未有的空间探测热情，逐渐掀开了人类隐约感知的美丽世界的面纱。例如，木卫一照片显示，火山活动导致熔岩的沉积使地貌发生变化，这是首次在地球以外发现的火山活动，其最大火山释放出的能量至少是地球任何火山的十倍；木卫二，被发现一个数十千米的固体冰表层，暗示着液体海洋的存在；木卫三被证实有冰冷的表层，包括地质运动产生的年老和较年轻地貌构造；木卫四则是以长的环形山链和一个非常古老地表为特征。
在飞越木星的过程中，“旅行者”还拍摄了木星的一个类似飓风构造的“大红斑”（“大红斑”17世纪由伽利略发现的，大小近乎地球的2.5倍），同时还发现外行星的特殊磁场――表现在磁轴和自转轴不重合，从外行星中心开始两者就发生偏移。例如，海王星两个轴的夹角为47度，偏移量为55%。这些数值用行星磁场诞生理论无法解释，目前仍不了解其产生的原因。
多样的粒子
尽管“旅行者”行星成像是惊人的，但一些最具启发性的数据却来自非常细小的测量。例如，“旅行者”1号、2号在测量高能电子和离子的分布中，包括了对起源于日球层的能量在0.14到0.22兆电子伏之间的低能离子和绝大部分质子（见图4），以及能量在70兆电子伏左右的银河宇宙线质子。与银河宇宙线（其速度为67至172.8天文单位/天）相比，低能离子的速度为3.0至3.7天文单位/天，尽管相对较慢，但仍比太阳风的平均速度（0.25天文单位/天）快得多，使得它们能远离其源区。
“旅行者”1号、2号分别用了27和30年的时间测量了太阳风，包括在内日球层观测到的高能离子和电子主要产生于太阳活动高峰年（其时太阳黑子很多），以及由太阳耀斑场及日冕物质抛射形成的激波所产生的太阳高能粒子。
直到2000年，“旅行者”测量到的两种离子数强度同到太阳径向距离的平方成反比，包括另一种称作离子源的新生离子，在超过十几个天文单位之外发挥着重要作用，尤其是在终端激波和日球层鞘里――这些离子由星际中性原子（氢、氦和氧）电离形成，以大约25千米/秒的速度漂移到日球层（银河宇宙线的质子主要来自于日球层以外，如银河系中恒星爆炸成为超行星时形成的激波）。离子一旦进入到日球层中，势必要“对抗”外流的携带有螺旋状磁场的太阳风，后者包含了叠加的小尺度磁场扰动和来自太阳活动的大尺度扰动。
其结果是，随着“旅行者”远离太阳并朝向局部星际介质运动的过程中，银河宇宙线的强度在稳定增长。但这与11年太阳周期变化主要是太阳黑子峰值和银河宇宙线峰值之间呈反相关。
在1998-2000年期间，低能离子强度达到最低值后逐渐开始增加（见图5）。2004年12月16日，“旅行者”1号穿越了终端激波，并用时8.2年探测了日球层鞘。当时担心逼近的终端激波其前驱离子速度同太阳的螺旋状磁场平行，但它们却从相反方向到达。原因是终端激波的中下段区域被施加在日球层上的不对称压强所减弱。
图5.径向（R）流动的太阳风在穿过终端激波时开始减速，并预计在日球层鞘上获得子午线（N）和方位角（T）分量。等离子体流的测量显示了一个驻点区（上图浅色区），其中“旅行者”1号在穿过日球层顶之前的径向速度是零到波动的负值。
2007年8月29日和31日，“旅行者”2号在距离太阳83.65天文单位处沿不同路径多次穿过终端激波，其原因可能是终端激波的表面波引起的，或是新生离子内部结构准周期性修正所引起。目前“旅行者”2号在日球层鞘，正准备向日球层顶区域飞行。对于探测器的位置而言，日球层鞘是相对稳定的，不仅具有高强度的低能离子均匀层，而其质子能量从0.03兆电子伏到30兆电子伏。
在穿越终端激波前后，“旅行者”2号上的等离子体传感器实施了热等离子体的测量。然而，仅仅基于等离子体数据，终端激波的声速远低于这一区域中的流速，这意味着终端激波实际上并不是技术意义上的激波。研究者们为此意识到，在计算日球层鞘声速时必须要考虑非热离子的压强影响，尽管这些粒子远低于“旅行者”低能带电粒子装置的测量范围。我们知道，碰撞和加热后的新生质子分布在日球层鞘区域，这是因为热质子同冷中性氢原子的电荷交换所致，由此产生的高能中性原子被另外两艘探测器观测到――分别是位于1个天文单位的“星际边界”探测器及位于10个天文单位的“卡西尼”探测器。
一个值得注意的发现是，“旅行者”1号在穿越日球层鞘时在那里探测到了意想不到的等离子体流的演化。正如图5所示，太阳风的径向分量（R）在穿过终端激波时被减速和发生偏转，而预计在日球层鞘中获得子午线（N）和方位角（T）分量。自1981年以来，“旅行者”1号上的等离子体探测器就不再运行了。然而，低能带电粒子装置在R-T平面的各个方向上测量到低能离子。当低能离子试图进入到等离子体时（如在日球层鞘中），这些不同方向的数据被用来代替等离子体探测器数据，以此能估计出日球层鞘中等离子体流的R和T分量。
当“旅行者”1号深入到日球层鞘时，T分量仍然很小且相对是个常数，其值从-20至-40千米/秒，而R分量在97个天文单位处达到100千米/秒峰值，随后便减小到113个天文单位处的0千米/秒。这种变化本身并不奇怪，因为径向速度在日球层顶处应该为0。然而，“旅行者”1号却在远离日球层顶2个天文单位处测量到的速度仍为0（从115到121个天文单位范围中，速度是波动的，但其平均值在-15千米/秒）。换句话说，这显示了日球层鞘等离子体是以某种方式同流入的局部星际介质等离子体发生了耦合。
我们都想知道：日球层鞘到底发生了什么？难道是径向流被分流到N方向了吗？
为了帮助回答这个问题，在2011年初，地面控制人员发出指令让“旅行者”1号旋转90度与地球形成直线，并每隔几个月使其保持数小时这种姿态，便于测算N方向的速度。结果显示，2011和2012年N方向的速度为几千米/秒，这意味着径向流并没有被分流到N方向。此后提出的几个模型试图解释这种现象，但迄今仍没有一个模型能作出完美的解释。
飞离太阳系
虽然进入了日球层鞘的边缘，但令人奇怪的事情发生了。我们的估计是，探测器一旦到达日球层顶，太阳风等离子体的消散将伴随着银河系宇宙线的增加和磁场方向的变化。然而，“旅行者”所揭示的事实却完全不一样。
在距离太阳121.6天文单位处，银河系宇宙线强度从2012年5月7日逐渐增强，7月28日开始波动，最后在8月9日至8月25日又开始增强，其中沿着磁场方向最为明显，但磁场垂直方向几乎没有增强。理论上的估计是，银河系宇宙线在局部星际介质中没有一个特殊的方向――太阳粒子的偶然减少在方向上的分布不会是均匀的。
与银河系宇宙线增强不同，粒子会沿着磁场迅速逃逸，而不是垂直于磁场慢慢逃逸。磁场强度的增加与粒子的变化相一致，但在短期事件中其方向几乎保持不变，如发生在2012年8月25日后的不连续性也一直如此。此外，磁场强度达到了整个日球层的四倍。
由太阳风形成的太阳磁场的方位角方向（T分量）预计会转换到南北向的星际磁场中，实际上却并非如此。除过去一年中的几段时间外，银河系宇宙线一直是各向异性的（分布并不一致），直到今天仍然如此。这些令人困惑的细节引发了一场旷日此久的争论：“旅行者”1号是否还在星际空间？
一方面，银河系宇宙线和预计的那样在增强，但却是各向异性的，以及它们的分布是由磁场排序的，包括太阳物质的消失也和预计的一样。但出乎意料的是，这些物质逃逸也是经由磁场排序的。事实上磁场方向并没有发生变化，仍然与太阳风磁场近乎相同，有人为此暗示：8月25日穿越的并不是真正的日球层顶。
实际上对于各种各样的论据，来自“卡西尼”土星轨道探测器探测到的高能中性粒子（可以全天对太空进行远程成像），暗示了太阳物质在任何能量下都可能会消失。正如观测的一样，这些论据给出了日球层顶位置的估计值为121个天文单位，但任何一个理论都不能解释银河系宇宙线的各向异性。
其中，等离子体密度、温度及方向等数据是需要解决的难题之一。2013年4月，等离子体天线观测到曾多年不见的电子等离子体振荡频率，将这些结果转化成密度后，被认为是十分接近对相对冷的星系的等离子体预期的估计值。与之相比，“旅行者”2号仍在工作的等离子体探测器测量的日球层密度约小50倍。
虽然等离子体温度不能被测量，但高密度足以证明“旅行者”1号已经远离日球层顶，并已进入到局部星际介质中。必须注意的是，电子等离子体振荡的突然出现，很可能是源于2012年3月的一次太阳活动，由此产生的等离子体云在13个月后到达了“旅行者”1号所在的位置。实际上，等离子体天线数据的更详细的分析，显示出在同年10-11月观测到的类似的较低密度振荡，很可能是更早时期的一次太阳活动引起的，从而可推断出“旅行者”1号在2012年8月下旬穿过了日球层顶。
2013年9月9日，“旅行者”研发团队在其所在的约翰·霍普金斯大学召开了一次会议（“旅行者”1号的整个观测是在那里被呈现），会议分析和与当前模型进行比对后，达成的共识是：2012年8月25日，这艘探测器在121.6个天文单位处穿越了日球层顶，从发射和到达日球层顶花费时间为35年，并已经进入了局部星际介质中，
进入星际空间后，“旅行者”将继续给我们提供惊喜。银河系整个环境并不是我们想象的那样是平静和温和：在2014年，银河系宇宙线的数据显示了各向异性后存在着周期性的各项同性宁静，就好似偶尔的“海啸”在波及日球层顶时扰动了上游的介质。这些“海啸”很可能起源于太阳，经由日球层顶传播，最终到达了“旅行者”1号所在的位置。
很显然的是，其中有一个区域超出了日球层顶，可能导致了弓形激波（超过日球层顶后太阳的影响会减弱）。如果是这样的话，这个距离至少离日球层顶10个天文单位，目前“旅行者”1号正在那里（距离太阳大约是131个天文单位）。
图6.由天文观测推测出的太阳系相对于局部星际介质的运动。这幅图显示了带有恒星球层（相对于太阳的日球层）的已知恒星。“旅行者”途经日球层能够告诉我们更多关于宇宙空间更广泛区域的构成
团队的合作
1977年发射升空，迄今已在太空运行了长达38年的“旅行者”1号、2号探测器，它们的空间探测任务具有划时代的意义：前者实现的任务远远超出了初期目标，并在继续它的发现之旅（日球层顶外环境目前仍然未知，随着探测器的运行，将会揭示出更多的新现象）；后者目前位于108个天文单位、黄道以南31度，正在日球层顶区域探测，其一台正在工作的等离子体装置，或将回答“旅行者”1号给出的一些问题，例如，银河系等离子体的温度和方向流及弓形激波存在的原因。
“旅行者”究竟还能运行多久？这主要取决于探测器上的放射性同位素热电发生机，即能将钚-238放射性衰变中的热量转化成电能。钚-238半衰期是87.7年，发射时功率为465瓦，现在已降至264瓦。按照目前的功率，就“旅行者”1号而言，很可能运行到2020年，到2025年左右，甚至没有足够的动力来操纵一台仪器。尽管有些失望，但其向人类呈现的结果很难让我们对这一初始计划仅为四年的探测任务抱怨些什么。
有人说“旅行者”本质上并没有离开太阳系，仅仅是离开了太阳的电离大气层――日球层。换句话说，它们离开了太阳的化学环境区域，却没有离开太阳的引力环境。这完全正确，因为在奥尔特云系中的彗星仍然以大约10万天文单位的距离围绕着太阳运转。如果动力不是问题的话，以目前17千米/秒的速度，“旅行者”1号将用40 000年时间飞经一颗叫做AC+79 3888的恒星（位于鹿豹座），在其漫长孤独的旅行中仍不失为一次亲密的接触。
可惜的是，目前还没有一个接替“旅行者”星际任务的空间探测计划，即使现有技术实现了25年飞越200个天文单位，或50年飞越500个天文单位。因此，从“旅行者”任务获得的认知难以被新一代接盘者复制和提升。向当初设计“旅行者”探测器的工作人员致敬，祝贺他们取得了非凡的成功，这些探测结果使我们受益良多。
资料来源 www.americanscientist.org
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