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    是它,让“爱”之音在太阳系回响

    2017年2月14日 作者:中国科普博览

    太阳系边缘,两艘人类制造的探测器正在向更深的太空中飞行。

    四十多年前,当它们被发射升空时,NASA将其分别命名为旅行者1号和2号。它们不仅携带了进行科学探索的仪器设备,还载有一个金质唱片,记录了地球上各种景物的图片和不同的声音,以向可能捕获这艘飞船的地外文明介绍地球和人类文明。

    此外,值得一提的是,在飞船研发期间,团队中的两位成员坠入爱河,于是,团队决定将女生和男朋友通电话时的脑电图记录下来,置入唱盘中,向外星人介绍我们这个星球上最珍贵的感情——“爱”。

    千载难逢的机遇,飞行的开始

    1967年,美国喷气动力实验室(JPL)的航天工程师Gary Flandro发现,一个千载难逢的探测机遇即将在下个十年到来:土星、木星、天王星和海王星的相对位置,使得一艘从地球发射的探测器能够在各个行星附近进行连续的借力飞行,探索火星轨道之外所有的太阳系大行星。

    这种难得的自然“跳板”位置组合十分罕见,如果错过了这次机会,之后就要再等176年了。

    这里说到的借力飞行,是在探测远离地球的天体时一种常用的实现手段。简单来看,借力飞行就是借助大天体的引力作用,为飞行器加速的过程。

    在电影《火星救援》中,当宇航员们决定驾驶赫尔墨斯号去救援马克·沃特尼时,在地球附近的转向就是一次借力飞行。飞船飞掠地球时进入了一个双曲线型轨道,因为飞入角度控制得当,离开这一轨道时,在地球引力的作用下,虽然飞船相对于地球的速度大小没有发生变化,但飞船在日心参照系下的速度增大,相当于被地球的引力推了一把。

    借力飞行轨道能够降低发射能量、节省燃料,在某些情况下,它还能缩短星际航行时间。进行深空探测的伽利略号、卡西尼号、罗塞塔号飞船都使用了借力飞行。

    两艘旅行者号飞船的飞行旅行

    下面,我们回到刚才提到的这次千载难逢的发射时机。

    为了抓住这次“跳板”组合的机会,NASA提出了雄心勃勃的“宏大旅程”计划(Grand Tour program),希望发射两颗探测器对外行星和它们的重要卫星进行探测。然而,由于国会老爷们对经费的重重限制,“宏大旅程”计划最终泡汤,取而代之的则是效费比更高的旅行者计划。

    于是,旅行者1号和旅行者2号两艘双胞胎飞船就这样开始了它们的旅途。

    两艘飞船从地球相继发射后,将沿着不同的方向飞行:旅行者1号的探测目标为土星、木星,以及土星最大的卫星泰坦;而旅行者2号在完成对土星、木星的探测后,则会继续探测天王星和海王星。

    完成这些任务后,两艘飞船便会继续飞往太阳系边缘。

    旅行者旅途的最后一拍

    旅行者1号和2号的任务进行得相当顺利,两艘飞船每造访一个天体,它们搭载的高分辨率相机总能带来新的视觉震撼。

    前所未有的图片清晰度,使得人们能够近距离地仔细观察这些远离地球的气态巨星们:木星上存在着结构复杂的云层和风暴活动;木星的卫星上有火山喷发的痕迹;由太空碎片、岩石和冰组成的美丽的土星环,实际上是由几个更小的圆环围绕而成的,小圆环之间还存在着缝隙;天王星和海王星都存在着磁场,其周围有不少以前不为人知的卫星。

    可是,看到了这么多天体,太阳系的边缘到底在哪儿呢?

    太阳大气中的等离子体被磁场活动所释放的能量加速、加热,向空旷的行星系空间喷薄而去,于是形成了太阳风。由于等离子体的磁冻结效应,太阳大气中的磁场也被等离子体携带到行星际空间中,形成行星际磁场。

    当太阳活动比较剧烈时,太阳表面时常会出现一些自由能量很高的磁场结构,当自由能量积累到一定程度后,就会突然释放,将大量的物质、能量和较强的磁场在短时间内释放到太阳系的空间中,形成日冕物质抛射等太阳风暴现象。

    而我们定义的太阳系范围,就是平静太阳风和太阳风暴(以下统称为太阳风)所能到达的范围。

    随着逐渐远离太阳,太阳风密度不断降低,最终会被星际介质阻碍,不能再继续传播。当太阳风这种超音速的物质被阻挡而减速时,会首先形成一道终止激波,由超音速减慢为亚音速,当太阳风完全被星际介质取代时,则到达了日球层顶,也就是太阳系的边缘

    日球层示意图,Termination Shock为终止激波,Heliopause为日球层顶

    按照之前的计算,旅行者1号将在2012年穿过日球层顶,正式飞出太阳系,可确认这一点却让科学家们颇费了一番周折。

    原来,旅行者1号探测等离子体密度的仪器在1990年就不能继续工作了,而这种仪器所测量的数据对于确认飞船是否还处在太阳风的影响范围内至关重要。

    尽管我们还能通过遥测来确定飞船相对于地球的位置,但由于我们并不能精确地了解日球层顶的位置,也就不能知晓旅行者号是否还在太阳系之内。

    正当科学家们纠结之时,太阳给了科学家们关键的帮助。

    2012年3月,太阳爆发了一次日冕物质抛射,13个月之后,这次爆发传播到了旅行者号飞船所在的位置(日冕物质抛射传播到地球一般只需要几天,由此可以想象太阳系的边缘有多么遥远),旅行者1号上还能工作的等离子体波动探测仪器记录下了这次爆发所带来的波动。通过波动数据,科学家们间接推测出了旅行者1号所在位置的等离子体密度。

    科学家们发现,当时得到的等离子体密度已经比在日球层内测得的数据高出40倍,符合星际介质的特征,从而可以正式确认旅行者1号已经飞出太阳系。

    此后,随着旅行者号探测任务的转变,科学家们决定关闭它上面的相机以节约能源,处理相机数据的软件也将从飞船的存储器上删除。

    在1990年2月14日,旅行者一号搭载的相机最后一次工作时,它为太阳系的行星们拍摄了一张全家福,除了淹没在太阳光芒中的水星、过于黯淡的冥王星(当时,冥王星还是太阳系大行星家族成员之一)和位置原因无法入镜的火星外,其他行星第一次同时出现在了一张图像中。

    这个离家60亿公里的孩子,也最后一次回望了自己的家。旅行者团队中的天文学家卡尔·萨跟用诗意的语言记录下了这一刻:

    “再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。”

    旅行者一号拍摄的太阳系全家福

    卡尔·萨根,这个搞天文的文艺青年,在旅行者号任务中受命制作一张金色唱盘。

    这张金色唱盘是地球和人类的名片,设计者们希望一旦探测器被其他文明捕获后,这张唱盘能够向他们展示飞船所来自的这个星球。

    为了完成这个重任,萨根组织了一个跨界团队,团队中除了天文学家和航天工程师外,还有科普作家、艺术家和流行音乐杂志编辑。

    旅行者号金唱盘,表面标注了太阳系相对于数颗脉冲星的位置,以及解码这个唱盘的方法

    唱盘可以同时存储声音和图像信息。

    在团队成员们选择的图片中,有数学、物理公式和DNA结构这些体现我们对自然界认识水平的抽象内容;有发射升空的泰坦火箭、太空中的宇航员、阿雷西博射电望远镜这些我们技术水平的象征。而更多的,则是我们日常生活的方方面面:超市中采购的女士,城市中一条街道的景致,高峰期时恼人的堵车,正为孩童哺乳的母亲等等。

    唱盘中的声音信息,除了联合国秘书长与美国总统对地外文明的问候外,还有地球上不同语言的问候。

    倘若外星人真能解码这个唱盘,他们听到的中文普通话信息将是“各位都好吧?我们都很想念你们,有空请到这儿来玩”,他们还能听到粤语、吴语、闽南话等中文方言。

    如果他们听腻了干巴巴的语音,还能欣赏巴赫、贝多芬的古典音乐和中国二胡演奏的高山流水。团队曾经联系披头士的成员乔治·哈里森,希望能把他的《Here comes the sun》放入唱盘中,遗憾的是,虽然乔治·哈里森乐见其成,但持有音乐版权的EMI公司却未能让团队如愿。

    金唱盘中的声音后来被整理成了一张名为《地球的呢喃》(Murmurs of Earth)的音乐专辑,在不少音乐网站里都能找到。

    唱盘中存储的照片之一:超市中的妇女

    与此同时,团队成员之一的科普作家安?德鲁彦也在为唱片中的内容忙碌。

    作为NASA聘用的旅行者号任务创意总监,德鲁彦觉得在图片和声音之外,还可以添加一段人类正在进行思考的脑电波。这样,地外文明也许可以找到一种理解人类思考方式的途径。

    这个想法得到了金唱盘团队的一致支持,他们将采集脑电波的时间定在了1977年的6月3日,而脑电波的提供者就是安?德鲁彦。

    当团队成员们在忙碌中等待着这一天的到来时,一件意想不到的事情发生了。

    6月1日,萨根和德鲁彦通了一次电话,在那之前,他们仅仅是工作上的同事,但在完成金唱盘的过程中,两颗心逐渐走近,迸发出了爱情的火花。

    没有鲜艳的玫瑰,也没有浪漫的约会,就在那通电话中,萨根向德鲁彦求婚了。

    这突然而美妙的意外拨动了德鲁彦的心弦,在录制脑电波时,德鲁彦按照之前的计划,努力思考人类发展进程的种种政治、历史问题,然而心上人的模样却一次又一次的不由自主地出现在脑海中——谈过恋爱的人都知道,这是一种多么美妙的体验。

    于是,脑电波记录下了恋爱时的美丽心情,这段脑电波也随着旅行者号飞船,进入了遥远的太空中。

    之后的日子,德鲁彦协助萨根创作了科普记录片《宇宙》,和萨跟一起编写了好几部科普图书,并一直陪伴他,直到1996年萨根去世。

    路途遥远我们在一起吧!

    制作金唱盘的材料可以使里面的信息保存数十亿年,萨跟和德鲁彦相爱的那个瞬间也由此进入了时间的洪流中,并随着旅行者号飞船的轨迹,在时间与空间的无限延伸中获得了永恒。

    值得憧憬的是,未来的某天,也许会有外星人重现这段爱情故事,让他们了解到是什么让两个没有血缘的地球人成为终生的伴侣,为彼此付出自己的一切。

    “爱之于我,不是肌肤之亲,不是一蔬一饭,它是一种不死的欲望,最疲惫生活中的英雄梦想。”不知相爱的朋友们是否曾意识到,花前月下时划过心底的悸动,寒风初起时掠过心头的牵挂,乃是我们人类面对浩瀚宇宙时,最好的名片。

    愿天下有情人终成眷属!

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    瘋子在左2017/2/14 6:52

    连柯伊伯带都没飞出,更别提奥尔特云了,实际还处在太阳的引力范围内,而且最近的恒星还有4光年的路程

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