发现“先驱者”异常的始末

邓雪梅/编译

“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减慢。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事。

40多年前，0.25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——“先驱者”10号和“先驱者”11号，当时已经在太空中飞行了一年。它们给人类呈现了超越太阳系小行星带的首次惊鸿一瞥的同时，也留下了一个谜团——一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号飞越木星和土星轨道后不久，地面控制人员开始注意到：两艘飞船的飞行速度似乎比预计的要慢，就好像某种力在非常巧妙地牵引着它们向后朝向太阳。

减速的量级似乎可以忽略不计，仅仅是我们在地球表面所经历引力加速度的一亿分之一。起初，地面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。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。许多年以来，随着这两个探测器越来越深入太空，这一差异一直存在，并且没有人能够搞明白它来自于哪里。

异常：多种解释难以释怀

在1998年宣布了这一现象时，正是这一异常被首次发现的15年之后。不久便出现了许多潜在解释，诸如“先驱者”异常的减速量级同宇宙加速膨胀的量级相当，或这一异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。一些人怀疑，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，两个探测器或许已经发现了额外维或奇特反物质存在的第一手证据。

总之，成百上千篇的论文都试图用新物理学来解释“先驱者”异常，但没有一个解释能够令人完全满意。现在，通过对探测器的记录、机载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多么的困难。但是，设计者们依然认为他们需要让这些任务实施。

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，每艘探测器为此携带了四个放射性同位素热电发生器（RTG）——RTG通过使用双金属热电偶把钚238的放射性衰变径直变成电流而转换成热量，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。

“先驱者”10号和11号上最大的单一组件是高增益天线 （一个2.74米宽的反射器），主要用于地球接收：能接收到超越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

为了同地球进行通讯，每个探测器都配备了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置上掉了出来，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月2日 “先驱者”10号发射后，它穿过小行星带并于次年12月飞过了木星，其轴外单像素光电探测器构建出木星的图像。而1973年4月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，并随后利用这颗气态巨行星的引力来改变它的飞行轨道——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。

随着地球遁入远处，地球绕太阳的视运动也削弱了。结果，推进器逐年减少点火次数以便调整“先驱者”10号和11号指向地球天线的方向，这犹如把探测器变成了主要的弹道对象。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：旨在缩小排查范围

此时，由美国宇航局（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高精度测量，包括特里谢夫（Turyshev）在内，他们仔细地寻找轨道中的微小变化。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意想不到的东西存在，并且很难予以解释。

作为引力探测，安德森团队主要依靠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，其间遍布了许多大型无线电天线，由这些天线阵列与“先驱者”探测器互相发送信号。由于两个探测器没有精密振荡器，它们利用接收到的频率调整后返回信号。通过测量“先驱者”信号频率发生的变化，地面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量的视向速度，能够用来控制它们的飞行路径。

为了找出任何未知的效应，安德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事项，他们为此建造了一个模型，以此考虑所有已知的太阳系天体引力影响、太阳气象、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。

当这些因素被注入到探测器轨道模型中，安德森团队希望看到接收到的信号同预言的几毫赫兹以内相匹配，但没有。1980年代，安德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——事情很快变得清晰了：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释。1998年，当这一发现在《物理评论快报》上发表后，理论物理学家便迅速以各种提议来回应，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了2.5千瓦的热量。难道“先驱者”的轻微减速能通过一个微小的不对称得到解释？如果仅仅60瓦热量在探测器的后方被辐射掉，那么动量守恒会使它们在朝向地球的另一个方向反冲，这或许可以用来解释这种异常。

安德森团队为此花了几年时间拟定了一个研究方案：处理了来自“先驱者”10号10多年的数据以及“先驱者”11号几乎4年的数据，编制了一个关于误差可能来源的目录，并在2002年发表了一篇近60页的文章，详细描述了所有可能涉及的问题。

安德森团队推断热反冲或许并不能解释“先驱者”异常。原因有二：一是，在长达2.5米吊杆上的RTG，似乎不可能存在多余的热量反射探测器；二是，探测器的减速在量级上似乎是常数。如果RTG成为“先驱者”异常的原因，那么这个效应在量级上应当减少，因为钚238衰减而产生更少的动力，进而产生更少的热量。

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来。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：成就问题最终解决

数据的获取对于破解“先驱者”异常现象非常之重要。在遥测数据的基础上，安德森团队开始收集包括多普勒在内所有与“先驱者”相关的数据文件，包括JPL的电脑硬盘、美国太空科学数据中心，甚至是JPL楼梯下的纸箱。最后在数据的支撑和多方配合下，“先驱者”10号的时间跨度增加到了23年，“先驱者”11号增加到了10年。

在JPL楼梯下纸箱中发现的保存有“先驱者”10号和11号数据的磁带

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置、地球和太阳的气候环境，以及整个时间跨度——“先驱者”10号31年、“先驱者”11号17年——作为变化中的通信战略来考虑。随着分析的逐渐完善，他们发现多普勒数据仍然在统计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。

为了找出答案，JPL招募了一个工程师团队，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了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量级。当把模型同“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当的热反冲力，相当于在深空20年后超过大约60瓦。

金塞拉团队发现，这个力的一半来自RTG的热量（从探测器天线后面反射回来）；另一半来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出去），这两股热量致使探测器异常的减速。

在“先驱者”异常发现的30年以后，现在我们可以说根本没有什么奇特的原因导致 “先驱者”异常，这一令人困惑的减速是由探测器本身产生的不对称辐射造成的。

对于一些人而言，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高精度验证，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”异常原因的漫长过程中，数据的重要性显现无疑。因为在“先驱者”任务的早些年代，科学家或工程师常常认为媒体比数据更有价值。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，但当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原始观测数据，即使在几十年后，这些数据仍然可读可用。这也许是未来我们要解决的下一个谜题。