历经47年，航行150亿英里之后，美国宇航局旅行者2号航天器上的等离子体科学实验装置已经关闭。美国国家航空航天局（NASA）的"旅行者"号双飞船最初的设计任务是探索木星和土星，为期四年。 将近 50 年过去了，150 亿英里已经被走过，它们已经远远超过了原先的目标，越过了外行星，冲出了日光层，进入了星际空间。 这些探测器现在是最遥远的人造物体，而且每天都在远离地球。
等离子体科学实验显示三个向阳杯指向略有不同的方向，以测量太阳风的方向。 第四个杯子（左上角）的指向与其他杯子垂直。 资料来源：美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院/麻省理工学院
在整个非凡的旅程中，旅行者号只用了几台仪器就对所有四颗巨大的外行星及其卫星进行了突破性的观测。 其中包括麻省理工学院的等离子体科学实验--一对完全相同的等离子体传感器，由麻省理工学院的科学家和工程师于20世纪70年代在37号楼制造。 这些仪器实现了首次测量，拓展了我们对太阳系的认识。
等离子体科学实验（又称等离子体光谱仪，简称PLS）测量了行星磁层、太阳风和星际介质（恒星之间的物质）中的带电粒子。 自 1977 年在旅行者 2 号航天器上发射以来，等离子体光谱仪已经揭示了太阳系所有外行星附近和太阳风中的新现象。 该实验在确认旅行者 2 号穿越日光层并移出太阳系进入星际空间的那一刻发挥了至关重要的作用。
现在，为了节省旅行者 2 号上所剩无几的能量，延长任务的寿命，旅行者号的科学家和工程师们决定关闭麻省理工学院的等离子体科学实验 。 这是未来几年将逐步关闭的一系列科学仪器中的第一台。 9月26日，旅行者2号PLS在收到关闭指令之前，从127亿英里外发出了最后一次通讯。
参与实验的麻省理工学院工程师和科学家的名字刻在该装置四个探测杯之一的集电板上。 资料来源：麻省理工学院博物馆
麻省理工学院新闻采访了麻省理工学院1922级物理学教授约翰-贝尔彻（John Belcher）和麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所首席研究科学家约翰-理查森（John Richardson），前者是设计和制造等离子体光谱仪的原始团队成员，后者则是该实验的首席研究员。 贝尔彻和理查德森都对麻省理工学院这段星际历史的退役发表了自己的看法。
问：回顾这项实验的贡献，麻省理工学院等离子体光谱仪揭示了太阳系和星际空间的哪些重大发现？
理查德森：等离子体光谱仪在木星的一个重要发现是发现了木卫二环，这是木星周围的一个等离子体甜甜圈，由木卫二火山中的硫和氧形成（旅行者号图像中发现了这些火山）。 在土星，PLS 发现了一个磁层，里面充满了从土星冰卫星上脱落的水和氧气。 在天王星和海王星，磁场的倾斜导致 PLS 看到了较小的密度特征，天王星的等离子体在行星附近消失了。 PLS 的另一项关键观测是对终止冲击的观测，这是首次观测太阳系中最大冲击处的等离子体，太阳风在此停止超音速运动。 这个边界的速度急剧下降，太阳风的密度和温度也随之升高。 最后，PLS 通过探测到向外流动的等离子体停止，记录了旅行者 2 号穿越日凌层的过程。 这标志着太阳风的结束和本地星际介质（LISM）的开始。 尽管 PLS 并非为测量本地星际介质而设计，但它一直在测量日光层以外的星际等离子体电流。 失去这个仪器和数据是非常令人痛心的！
贝尔彻：必须强调的是，PLS是麻省理工学院教授赫伯特-布里奇（Herbert Bridge，1919-1995）和艾伦-拉扎勒斯（Alan Lazarus，1931-2014）数十年研发的成果。 他们设计的第一版仪器于 1961 年搭载在探索者 10 号上。 而最新的版本则搭载在太阳探测器上，该探测器正在收集非常接近太阳的测量数据，以了解太阳风的起源。 布里奇是等离子探测器的首席研究员，这些探测器曾造访过太阳和太阳系中的每一个主要行星体。
问：在旅行者号探测器上工作期间，等离子体传感器在过去的47年中是如何工作的？
理查森：有四个由赫伯-布里奇设计的法拉第杯探测器可以测量进入探测器的离子和电子的电流。 通过测量这些不同能量的粒子，我们可以找到旅行者号遇到的太阳风和四个行星磁层中的等离子体速度、密度和温度。 旅行者号的数据每天（现在仍然）发送到地球，并由美国宇航局的深空天线网络接收。 让两艘20世纪70年代的航天器持续运行47年之久一直是JPL工程能力的惊人壮举，我们可以在Google上搜索最近的一次救援，当时旅行者1号在2023年11月失去了一些记忆，停止发送数据。 JPL找出了问题所在，并在150亿英里之外重新对飞行数据系统进行了编程，现在一切都恢复正常了。 关闭 PLS 需要发送一条命令，这条命令将在大约 19 个小时后到达旅行者 2 号，为航天器的其他部分提供足够的动力，使其能够继续运行。
问：等离子体传感器关闭后，旅行者号还能做些什么，还能走多远？
理查德森：旅行者号仍将测量银河宇宙射线、磁场和等离子体波。 随着驱动这些仪器的钚的衰变，可用功率每年大约减少4瓦。 我们希望能让部分仪器运行到2030年代中期，但随着功率的降低，这将是一个挑战。
贝尔彻：荷兰卡普丁天文研究所的尼克-奥伯格利用欧洲航天局的航天器盖亚的数据，对航天器的未来进行了详尽的研究。 大约 3 万年后，飞船将到达距离最近的恒星。 由于太空是如此广阔，在宇宙的一生中，飞船与恒星直接碰撞的可能性为零。 不过，航天器的表面会因为与巨大的星际尘埃云发生微碰撞而受到侵蚀，但这种情况发生得非常缓慢。
根据奥伯格的估计，"黄金唱片"（每个探测器上都有相同的记录，其中包含精选的声音和图像，代表地球上的生命）可能会存活 50 多亿年。 在这 50 亿年之后，事情就很难预测了，因为此时，银河系将与其巨大的邻居仙女座星系相撞。 在碰撞过程中，宇宙飞船有五分之一的几率会被抛入星系间介质，因为那里几乎没有尘埃，也几乎没有风化。 在这种情况下，飞船有可能存活数万亿年。 万亿年大约是目前宇宙年龄的 100 倍。 大约 60 亿年后，当太阳进入红巨星阶段并吞噬地球时，地球将不复存在。
等离子体仪器的首席工程师罗伯特-巴特勒（Robert Butler）在"黄金唱片"的侧向阳杯的收集板上刻下了麻省理工学院工程师和科学家的名字。 巴特勒的家乡是新罕布什尔州，他把该州的州训"不自由，毋宁死"放在了名字的首位。 多亏了巴特勒，虽然新罕布什尔州在万亿年内都不会存活，但它的州箴言却有可能存活下来。 PLS 仪器的飞行备用件现在陈列在麻省理工学院博物馆，在那里，你可以通过侧视传感器看到巴特勒的信息文本。
编译自/ScitechDaily