美国“先驱者”号探测器异常的原因

2018-05-22 02:02李有观
飞碟探索 2018年3期
关键词:拉瓦美国航空航天局探测器

李有观

40多年前,美国发射了两个探索外太阳系的探测器——“先驱者”号,后来都出现了意外的减速现象,被称为“‘先驱者号异常”。维克多·托思是一位软件工程师,斯拉瓦·图里谢夫是一位理论物理学家,目前都在位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国航空航天局喷气推进实验室工作。为了解开“‘先驱者号异常”之谜,他们花费了数年时间。

现在,我们终于知道了其中的原因。

1972年3月2日和1973年4月6日,美国航空航天局先后发射了“先驱者10”号和“先驱者11”号探测器。这两个探测器是真正的探索宇宙的先驱者,它们使人类第一次近距离观察到太阳系小行星带之外的世界。它们也留下了一个谜,一个多年以来困扰和激励着天体物理学家的谜。

像许多谜团一样,一开始人们只是发现有些不对劲。“先驱者10”号和“先驱者11”号越过木星和土星的轨道之后不久,导航员开始注意到一些意想不到的情况。两个探测器的飞行速度似乎都比控制人员预测的要慢,好像有一股力量在缓慢地把它们拉向太阳的方向。

探测器的减速幅度极小,只有我们在地球表面感受到的重力加速度的十亿分之一。起初,这么小的影响似乎没有什么特别之处,可以把它当作一种简单的修正,航天器的导航员就经常为了调整探测器动作中因燃料泄漏等引起的一些小的、暂时性的偏差。如果不是因为一个令人困扰的细节,没有人会关注这件事:多年来,随着探测器不断向太空深处移动,这种微小的差异一直存在。没有人知道它是如何产生的。

在首次发现超过15年之后,这种异常现象最终于1998年被公布,不久就出现了许多可能的解释。对遥远恒星爆炸的研究表明,宇宙正在加速膨胀。“先驱者”号探测器减速的幅度正好处于合理的范围内,这表明我们可能是在太阳系内看到了这种膨胀。但这只是一种可能性。一些人怀疑这两个探测器被一种看不见的暗物质云团或其他物质牵引,导致万有引力定律在大范围内受到破坏。还有一些人认为,这可能是“先驱者”号探测器发现了额外维度或奇异的“镜像物质”的第一个证据。

总共有数百篇论文试图用新物理学来解释“先驱者”号探测器的异常现象,但这些解释中没有一个能令人完全满意,而且一直存在着一个更普遍的看法——也许是探测器本身某些方面的原因造成的。维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫经过搜寻失踪的探测器记录、详细研究机载传感器和导航数据以及精心模拟探测器及其飞行轨迹之后,坚信我们终于知道了答案。他们努力找出这种异常现象的根源,这既是一个侦探故事,也是一个警示性故事,说明了保存看似没有多大作用的数据的重要性。

要了解“先驱者”号探测器的异常,从其开始设计谈起或多或少会有些帮助。在20世纪60年代中期,当专家设想研制“先驱者10”号和“先驱者11”号探测器时,还没有任何航天器被送到火星的轨道上。没有人知道穿越火星和木星之间的小行星带会有多大风险,也没有人知道承受环绕气态巨行星的强烈辐射区有多困难。但“先驱者10”号和“先驱者11”号的设计师仍然认为他们拥有完成这些任务所需的技术。

在木星轨道上,太阳光的亮度大约是地球轨道的4%,太暗了,无法给探测器的太阳能电池板提供能量。因此,每个探测器都携带了一套四个放射性同位素热电发生器(简称RTG),放置在与探测器敏感仪器相距一段安全距离的长杆上,就像一对兔子耳朵一样。这些发生器使用双金属热电偶将来自钚-238的放射性衰变产生的热量直接转化为电能。放射性同位素热电发生器非常可靠:它们没有移动部件,燃料的半衰期长达88年,意味着探测器将有足以使用几十年的能量。

“先驱者10”号和“先驱者11”号上最大的单一部件是高增益天线,它是一个大圆盘,直径2.74米,其作用是在飞出火星轨道后与地球通信。探测器可以沿着天线的轴线旋转以保持稳定。探测器的天线指向一个一致的方向,因此不需要频繁地校正姿态。如果天线没有对准地球,输入信号后,专门的电路会在探測器旋转时调整天线的方向。探测器的大部分控制仪器和科学仪器都安装在这个圆盘背后,有专门的电路打开散热窗,以释放多余的热量。每个探测器上都有防止仪器受到辐射的装置以及磁力计。

拥有了上述基本技术,“先驱者10”号和“先驱者11”号探测器向以前没有人探索过的太空前进。“先驱者10”号于1972年3月2日发射,它穿越小行星带并于1973年12月飞过木星,其单像素光电探测器缓慢旋转,以拍摄巨行星的照片。“先驱者11”号于1973年4月6日发射,执行一项更加重要的任务:在“先驱者10”号飞行一年后飞越木星,利用气态巨行星的重力改变航向。5年之后,“先驱者11”号飞抵土星环。

随着探测器逐渐远离地球,地球绕太阳的视运动也随之减弱。因此,需要推进器点火以调整定向天线的方向的次数也越来越少。这使得探测器基本上成为弹道物体,即受重力等外力作用而接近理想飞行状态的探测器。

由美国航空航天局喷气推进实验室的天文学家约翰·安德森领导的一组研究人员使用这些几乎是无源的探测器飞行数据,对太阳系外的重力环境进行了高精度的测量。这个团队(包括斯拉瓦·图里谢夫)专门寻找可能是因没有发现的行星或在宇宙大爆炸过程中产生的特长波引力波而引起的飞行轨迹的微小变化,但没有什么发现。相反,他们的研究发现了完全出乎预料而且难以解释的事情。

为了把“先驱者10”号和“先驱者11”号作为重力探测器,约翰·安德森领导的团队主要依靠美国航空航天局的深空网络从地球发送的信号。深空网络由位于世界三个不同地点的拥有大型无线电天线的深空通信设施构成。这些天线向“先驱者”号探测器发送了2.11千兆赫的无线电信号,“先驱者号”探测器上没有精密振荡器,它利用入射波束的频率将其返回信号调制为2.29吉赫(GHz)。

根据著名的多普勒效应,如果信号源和接收器相对运动,接收到的无线电信号频率会发生变化。通过测量“先驱者”号探测器发出的信号从2.29吉赫偏移了多少,地面操作员就可以知道探测器相对于地球的视向速度。在探测器足够长的飞行轨迹上反复测量视向速度可用来确定其路径。

当然,为了找出任何未知的影响,团队必须考虑所有可能改变探测器的运动或其发送信号频率的因素。美国航空航天局喷气推进实验室的导航员必须建立一个考虑各种因素的模型,包括太阳系所有已知物体的引力影响、太阳气象、太阳辐射压力、广义相对论对信号传播的影响、信号发送和接收时的大气湿度以及地球磁极的旋进。

当上述因素被输入每个探测器飞行轨迹的模型中时,团队期望看到接收无线电信号的频率与预测的误差在几毫赫以内。但结果不是这样。从1980年开始,安德森及其同事注意到一个更大的偏差。在几十毫赫的水平上。很明显,这种差异不只是随机的噪音。

1998年,美国的《物理评论快报》公布了这种异常现象,随后理论物理学家提出了自己的看法。

其中热辐射被认为是主要的原因。“先驱者”号探测器搭载的放射性同位素热电发生器的效率很低,只能向探测器提供大约100瓦的电力,但同时会向太空释放2.5千瓦的热量。“先驱者号”探测器出现的轻微减速可以用微小的不对称来解释。如果每个探测器背面(天线背面)辐射出60瓦的热量,根据动量守恒定律,就会向另一个方向(朝向地球)产生反冲力,异常现象则得到解释。

美国航空航天局喷气推进实验室的团队花了几年时间准备进行一项全面的研究。他们处理了“先驱者10”号超过10年的多普勒测量数据和“先驱者11”号近4年的类似数据,编制了所有可能的误差和偏差来源清单(包括机载热量),最终在2002年发表了一篇近60页的论文,详细阐述了所有这些问题。

该团队的结论是,“先驱者”号的异常可能不是由热辐射造成的。有两个原因:第一,放射性同位素热电发生器位于从探测器机体延伸出2.5米的长杆上,其释放的余热似乎不太可能产生足够的反冲力(该团队估计,可能只有1/10);第二,两个探测器的减速值在发射后的几十年间基本是不变的。该团队认为,如果是放射性同位素热电发生器造成了“先驱者”号的异常,随着钚-238的衰减,产生的能量逐渐减少,热量也更少,减速效应也应减小。

但人们依然存在疑虑。对热反冲力的估算并不是非常精确;虽然不断的反冲力似乎可以解释这种异常现象,但没有人能真正排除它随着时间的推移正在逐渐减少的可能性。

如何解决这个问题呢?当然是使用更多的数据和进行更多的分析。维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫希望尽可能精确地确定探测器到底释放出了多少热量,以及由此产生的力量能否解释飞行轨迹的异常。为此,他们需要两组关键信息:工程师监视探测器运行的管理数据和多普勒效应数据,而且要尽可能多。

幸运的是,“先驱者10”号和“先驱者11”号的遥测数据大部分被保存下来,可供研究使用。虽然美国航空航天局没有对这些数据进行存档,但艾姆斯研究中心的承包商和“先驱者”号团队前成员、系统工程师拉里·凯洛格非正式地保留了他们可以得到的所有“先驱者”号数据。凯洛格拥有两个探测器几乎所有的主数据记录,即包括“先驱者”号所有科学数据和管理数据的二进制数据文件。

这些数据共有40GB。2005年,当维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫决定认真研究这些遥测数据时,已经有人开发了一种新的软件,可以从主数据记录中提取有用信息,而无须使用旧的、过时的大型主机。

要获取更多的可能有助解开谜团的多普勒效应数据则有些棘手。美国航空航天局喷气推进实验室的团队已收集到所有易于找到和使用的无线电数据文件,但维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫需要更多的测量数据。在花了一些时间后,他们在美国航空航天局喷气推进实验室的导航计算机硬盘和国家空间科学数据中心的档案中找到了更多数据,甚至在喷气推进实验室的楼梯下发现了装在纸箱内的磁带。有些文件的保存状况相当糟糕,在30年的时间内,从一种存储格式转换为另一种存储格式时出现损坏。

为了找到这些文件并使之可用,他們得到了一个非盈利空间倡导组织——“行星协会”——的资金支持。美国航空航天局戈达德太空飞行中心的物理学家克雷格·马克沃特帮助恢复了损坏的文件,并且使所有多普勒效应数据可以使用。最终,维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫获得了多1倍的可用多普勒测量数据,使“先驱者10”号的轨道数据跨度增加到23年,“先驱者11”号的轨道数据跨度增加到10年以上。

在美国航空航天局喷气推进实验室,资深导航员尼尔·莫丁格和约旦·艾利斯对多普勒观测数据进行了分析。与最初的轨道分析一样,他们必须考虑任何可能影响信号传输的因素,包括地球的自转、接收天线的位置以及地面和太阳的气象,还必须考虑探测器能够发回可用于精确导航的信号的通信方式在过去的时期内(“先驱者10”号是31年,“先驱者11”号是17年)发生的变化。通过他们的完整分析,维克多·托思和斯拉瓦·图里谢夫发现,多普勒效应数据在统计上与探测器恒定的减速保持一致,而且随着时间的推移,其减速值与数据能够更好地吻合。

如果减速效应随着时间的推移而逐渐减弱,他们推测,由放射性同位素热电发生器产生的逐渐衰减的热量可能是造成这种异常的原因。

为了找到答案,他们邀请了美国航空航天局喷气推进实验室的一组工程师,在经验丰富的航天器热性能建模专家加里·金塞拉的带领下,构建了“先驱者10”号和“先驱者11”号的精确热模型。该团队最终构建的几何模型将每个探测器分成3300块,并整合了有关探测器材料的热性能的记录。研究者使用这个模型来显示热量是如何在不同部位流动和辐射的,并且根据这些结果,估计了“先驱者”号在飞行过程的不同时间里热反冲力的大小。在将模型与“先驱者”号的温度和电气读数对比后,研究者发现,探测器确实受到一定的热反冲力,相当于辐射超过60瓦的热量产生的力。按地球的标准来看,这个力非常小,大约与汽车远光灯发出的光子对汽车的反冲力差不多。研究者发现,一半的力来自放射性同位素热电发生器产生并从天线背面辐射出的热量,另一半来自探测器中心电路的电热。大部分热量通过探测器背面的散热窗辐射出去,而散热窗未与其他部分良好隔热,因此进一步促进了减速。

研究者还利用多普勒效应数据计算了探测器的热反冲力,即与探测器飞行轨迹相匹配所需的力。当他们将这个独立的估算与从探测器模型中得到的结果进行比较时,发现这两个值的匹配误差在20%以内。考虑到其中的不确定性,可以认为没有统计上的明显差异。在被发现30多年之后,研究者现在终于可以说,“先驱者”号异常没有奇特的原因:令人费解的减速是由探测器产生的不对称散热引起的。

对一些人来说,关于这样一个长期存在的谜团,这似乎是个令人失望的结论。但是,对这种异常现象的解释实际上巩固了“先驱者10”号和“先驱者11”号的历史地位。这两个探测器完成了不太可能在短时间内重复的任务:它们对爱因斯坦的重力理论做出了高精度验证;到达的距离是冥王星与太阳之间距离的2倍;至今仍没有其他探测器可用于这样的测试(或出现这种微小的异常),后来的探测器或是过于依赖推进器,或是没有连续跟踪,或是行程不够远。“先驱者10”号和“先驱者11”号仍然是迄今导航最精确的深空探测器,并可能在未来的许多年内保持这个称号。

上述研究还说明了保存数据的重要性。在“先驱者”号探测器的早期任务中,科学家和工程师通常认为媒体比数据更有价值。许多人认为,一旦“有用”的科学和技术信息被提取出来以后,原始数据就毫无价值了。现在,进行数据存储可能很便宜,但在数据保管方面,仍然存在目光短浅的危险。研究者认为,每个实验项目都需要制订明确的计划,以确保原始观测数据在未来数十年内仍然可用和可读。这很可能是研究人员解决下一个令人困惑的谜团的唯一方法。

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