发现“先驱者”异常的始末

1、发现先驱者异常的始末邓雪梅/端译“先驱者10号 30年前，被送往探测外太阳系的第一个探测器飞行速度开始出乎意料地械慢.现在我们终于知道 到底发生了什么。从发现“先驱者”异常原因的漫长过程中，数据的重要性显现无疑，尤其是我们现今 所处的大数据时代.数据存储或许是廉价的，但当涉及数据保存或管理时，我们仍缺乏远见或是短视 的。在识别这种异常的努力中某种程度看似是一部侦探故事，但这是一部保存看似乏味数据而足以为戒 的故爭40多年前，025吨的一快电路和遥感器挣脱了地球引力的束缚,迅速掠过月球和火星，冲向木星一 一 “先驱者10号和“先驱者T1号.十时已经在太空中飞行/一年。它们给人类呈现了超越太阳系小

2、 行星带的首次惊鸿一瞥的同时.也留下了一个谜团个困惑和启发天体物理学家数十年的谜团。像许多谜题一样，这个谜题仅仅开始于一个小暗示：似乎有些不对劲。就在“先驱者”10号.11号 飞越木星和丄星轨道后不久.地面控制人员开始注总到：两瑕飞船的飞行速度似乎比预il的要慢.就好像 某种力在非常巧妙地牵引着它们向后朝向太阳。减速的虽级似乎可以忽略不计仅仅是我们在地球表血所经历引力加速度的一亿分之一。起初.地浙 控制人员认为是燃料泄漏或是探测器行为瞬态偏差造成的C如果它没有成为一个令人不安的细节的话.就 没有人会把这个异常放在心上。许藝年以來，随着这两个探测器越來越深入太空，这一差界一直存在.并 且没有人能

3、够搞明白它來自于哪里。异常：多种解释难以释怀在1998年宣布了这一现彖时.正是这一界常被首次发现的15年之后。不久便出现了许多潜在解祥， 诸如“先驱者界常的减速虽级同宇宙加速膨胀的虽级相、1h或这一界常展现了太阳系中同样的宇宙膨 胀。然而.这仅仅是一种可能性。一些人怀従.两个探测器是被暗物质云牵引或在大尺度上所暴露的引力 定律的破坏：一些人认为，两个探测希或许已经发现了额外维或奇特反物质存在的第一手证据c总之，成百上干篇的论文都试图用新物理学來解释“先驱者”异常，但没有一个解释能够令人完全满 总。现在.通过对探测器的记录、机戦传感器和导航数据的详细研究以及轨道建模后，我们相信我们最终 知晓了答

4、案。当20世纪60年代中叶设计“先驱者” 10号、11号时,之前没有任何探测器超出火星轨道的范围也 没人知道探测器穿越火星和木星之间的小行星带有多么的危险，更没人知道抵挡环绕木星的强烈辐射区域 有女么的困难。但是，设计者们依然认为他们需要让这些任务实施。“鼎区者“ 10号和11号上最大的单一组件是高瑁益天线（一个2.74米竟的反射器），主要用于地球 接收：能接收到超趣火星轨道以外的信号。探测器绝大部分的控制和科学仪器都位于这个碟形天线的后面远离木星日光强度大约是地球上的4%太暗以至于不能为太阳能电池板提供动力，每爛探测器为此 携带J四个放射性同位素热业发生器（RTG） 一RTG通过使用双金属热

5、电偶把杯238的放射性衰变径直变 成电流而转换成热虽，其燃料的88年半衰期意味着探测器有长达几十年的额外能源。为了同地球进行通讯，每个探测器都配备/ 2. 74米宽的碟形天线，碟形天线绕着其轴转动以保证探 测的稳定性。如果天线从同地球校准的位宜上掉了出來.那么入射信号会碰撞到天线的外轴.其时，特殊 电路会“注意”到出现的信号调制，进而电路会给推进器点火以修正探测器的方向。当1972年3丿2日“先驱者10号发射后，它穿过小行星带并于次年12飞过了木星，其轴外单像 素光电探测器构建出木星的图像。而1973年4丿6日发射的“先驱者” 11号，在“先驱者” 10号飞离木 星的一年后再次飞掠木星，并随后

6、利用这颗气态巨行星的引力來改变它的飞行轨道一一完成了第一次引力 助推。5年以后“先驱者” 11号飞入了土星环中。随肴地球逋入远处，地球绕太阳的视运动也削弱J。结果，推进器逐年减少点火次数以便调整“先驱 者” 10号和11号抬向地球天线的方向.这犹如把探测器变成了主要的弹道对毀。也正因为如此，它们成 为了仅受引力影响的理想探测器。建模：旨在缩小排査范围此时，由关国宇航局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的天文学家约翰安德森（John D. Anderson） 领导的团队开始使用这些导航数据进行外太阳系引力环境的一些商精度测虽，包括特里谢夫（Turyshev） 在内他们仔细地寻找轨道中的微小变化

7、。这些变化或许由于未被发现的行星引起，抑或是宇宙大爆炸期 间所产生的长引力波引起。对于这两种可能性并没有任何信号现象反映相反.这些导航揭示了某种总想 不到的东西存在，并且很难予以解释。作为引力探测，安徳森团队主要依靠NASA的深空探测网接收信号，该探测网位于世界的三个不同区 域，其间遍布了许女大型无线电天线.由这些天线阵列与“先驱者”探测器互相发送信号。由于两个探测 辭没有粕密振荡器.它们利用接收到的频率调整后返回信号。通过测虽“先驱者”信号频率发生的变化. 地而人员能够鉴别出探测器相对于地球的视向速度(这是一个时间和分析的问题)。在探测器飞行足够长 的弧段重复测虽的视向速度.能够用來控制它们

8、的飞行路径。为J找出任何未知的效应，安徳森团队开始考虑能够改变探测器运动或其所发信号频率的所有爭项， 他们为此建适了一个模型，以此考虑所有已知的太阳系天体引力影响、太阳气彖、太阳辐射压、信号在行 星际空间传播过程中的广义相对论等影响。片这些因素被注入到探测器轨道模型中.安徳淼团队希望看到接收到的信号同预言的几亳赫兹以内相 匹配.但没有。1980年代，安徳森等注意到一个更加显著的差异时处于几十毫赫兹的水平爭情很 快变得清晰了：差异并不仅仅是随机噪声。如果在探测器上施加一个微小.常数朝向太阳的力的话.那么导航模型的精度可以被修复。然而.这 在已知的物理学领域并没有现成的解祥。199S年.十这一发现

9、在物理评论快报上发表后.理论物理学 家便迅速以各种提议來回应.但仍有挥之不去的疑虑。热辐射是其中的一个主要候选者。“先驱者”的RTG效率十分低下，发生器给每个探测系统提供大约 100瓦电力，在这情况下它们向太空中辐射f 2.5千瓦的热址。难道“先驱者”的轻微减速能通过一个微 小的不对称得到解祥？如果仅仅60瓦热虽在探测器的后方被辐射掉.那么动虽守恒会使它们在朝向地球 的另一个方向反冲.这或许可以用來解释这种异常。安徳淼团队为此花了几年时间拟定r 一个研尤方案：处理J來自“先驱者” 10号10多年的数据以及 “先驱者” H号几乎4年的数据，編制了一个关于误差可能來源的目录并在2002年发表了一篇

10、近60页 的文草，详细描述了所有可能涉及的问題。安徳森团队推断热反冲或许并不能解释“先驱者”界常。原因有二：一是.在长达25米吊杆上的 RTG,似乎不可能存在多余的热虽反射探测器：二是，探测器的减速在虽级上似乎是常数。如果RTG成为 “先驱者”界常的原因.那么这个效应在量级上应弘减少，閃为杯238哀减而产生更少的动力，进而产生 更少的热虽。幸运地是，“先驱者” 10号和11号绝大部分的遥测数据都被保存了下來C前“先驱者”研究团队工 程师拉里凯洛格(Larry Kellogg)几乎拥有这两个探测器的所有主数据记录。2005年，在对这些遥测 数据展开研究的过程中他们与凯洛格一直保持着联系。数据：成

11、就问题最终解决数据的获取对于破解“先驱者”界常现念非常之重婆。在遥测数据的基础上.安徳处团队开始收集包 括女普勒在内所有与“先驱者”相关的数据文件.包括JPL的电脑锁盘、羌国太空科学数据中心.甚至是 JPL楼梯下的纸箱。最后在数据的支挫和女方配合下.“先驱者” 10号的时间跨度増加到J23年，“先驱 者” 11号増加到了 10年。在JPL楼梯下纸箱中发现的保存有“先驱者” 1()号和11号数据的磁帝在JPL.测控团队分析了扩充后的多普勒观测数据。如同对原始轨道分析一样.他们把所有能影响信 息传输的因素.诸如地球转动与接收天线的位宜、地球和太阳的气候环境.以及整个时间跨度一一 “先驱 者” 10

12、号31年.“先驱者” 11号17年一作为变化中的通信战略來考电。随若分析的逐渐完善，他们发 现多普勒数据仍然在统讣上存在一个不变的减速，而且这个随时间减速的值能更好地与数据吻合。为J找出答案，JPL招幕了一个工程师团队，由热气流建模专家加里金塞拉(Gary Kinsella)领导. 负责构建“先驱者” 10号、11号的热气流模型。最终.模型把探测器表面分成f 3 300块并整合了构建 探测器材料热性能的所有记录。结果估算出“先驱者”在飞行过程中的不同时间段的热反力冲虽级。十 把模空同“先驱者”的温度等数据进行匹配后.发现这两个探测器却经历着一个大小相、I的热反冲力相 当于在深空20年后超过大约

13、60瓦。金塞拉团队发现.这个力的一半來自RTG的热虽：(从探测器天线后而反射回來)：另一半來自探测器 核心电路的电加热(绝大部分从探测器后面的百叶窗辐射岀去)，这两股热虽致使探测器界常的减速。在“先驱者”界常发现的30年以后.现在我们可以说根木没有什么奇特的原因导致“先驱者片 常，这一令人困惑的减速是由探测器木身产生的不对称辐射造成的。对干一些人而言，这一结论似乎是令人失望的。然而，实际上这一异常却巩固了 “先驱者” 10号.11 号的历史地位：它们完成了爱因斯坦引力理论一个商精度验证，到达的距离几乎是冥王星和太阳之间距离 的两倍，目前还没有一个探测器能进行如此的实验。“先驱者”10号、11号仍然是目前最精确的深空探 测器。从发现“先驱者”界常原因的漫长过程中，数据的重要性显现无疑。大I为在“先驱者”任务的早些年 代，科学家或工程师常常认为媒休比数据更有价值。一旦“有用”的科学或技术被抽取出以后，许多人便 认为原始数据就一文不值了。现今，数据存储或许是廉价的，但、“I涉及数据保存或管理时.我们仍然缺乏 远见或是短视的。每次的实验都需要保存好这些嫌始观测数据.即