最伟大的旅程——专访“旅行者号计划”首席科学家爱德华·斯通教授
探索的冲动，内置于人性深处。
1990年，当“旅行者1号”飞船到达距离地球64亿公里处时，按照卡尔·萨根博士的建议，飞船调整飞行姿态，拍下了一张回望太阳系的照片。在那张照片中，地球是一个“只有0.12像素的暗淡蓝点”，这就是著名的“暗淡蓝点”。
这张终极版的人类自拍照，提供了一种对人类来说意味复杂的存在主义视角：在茫茫宇宙中，人类显得那么渺小，但与此同时，唯有人类，可以从那么遥远的地方回望自己。
事实上，那也是“旅行者1号”在其漫长的旅程中拍摄的最后一张照片。为了节能，在这张历史性的照片之后，“旅行者1号”就关闭了照相功能。此后，它独自在茫茫太空以17公里/秒（5亿公里/年）的速度飞行，直到2012年8月25日，在飞行了182亿公里（121.6AU）之后，“旅行者1号”发回的数据显示，它已经正式离开太阳气泡（太阳风在星际介质内吹出的等离子态气泡）的边界，进入星际空间，成为第一个进入星际空间的人造物。
探索的欲望，深藏于人性的深处。正是在这种欲望的驱动下，人类穿越海洋，攀登高山，踏遍每个大陆的每一个角落，但是真正将人类探索精神发挥到极致的，却是20世纪70年代发射的这两颗小小的航空探测器——“旅行者1号”与“旅行者2号”。
2个月前，我在北大科维理天文与天体物理研究所见到了“旅行者项目”的首席科学家爱德华·斯通教授。斯通教授今年80岁，瘦瘦小小，貌不惊人，目光中却有不可思议的锐利与敏捷，我的脑子里立刻冒出了《星球大战》中尤达大师的样子。1972年，36岁的他被美国国家航空航天局（NASA）任命为“旅行者项目”的首席科学家，此后主持“旅行者号计划”长达40多年。
根据他提供的最近数据：“旅行者1号”目前距离地球230亿公里（135.2AU），“旅行者2号”速度稍慢，距离地球167亿公里（111.4AU），预计还有两年也将进入星际空间。两个飞行器如此漫长的旅程，也贯穿了这位科学家的一生。
斯通教授1936出生于美国爱荷华州。1957年10月，苏联发射斯普尼克卫星，揭开了太空时代的序幕。当时他才20岁，正在芝加哥大学读核物理学的研究生。核物理学的很多技术与太空宇宙射线的技术是一样的，所以他的兴趣迅速从核物理转到了宇宙射线和太空。
他说，真正让他对太空产生兴趣的，是“探索者1号”与“探索者3号”。“探索者1号”是美国于1958年1月发射的第一颗人造卫星，发射到地球轨道之后，发现了范艾伦辐射带。“‘探索者1号’是一个非常简单的设备，却可以做出那么重大的发现，这就是当时新兴的太空科学对于科学家的诱惑：知识的前沿就在那里，茫茫宇宙里那么多的未知事物在等待着被发现，你所需要做的，就是发明出合适的工具，走出去，去观察，去发现。”斯通教授告诉我。
1977年，这两颗探测器相继发射升空的时候，被称为NASA的“大旅行计划”。JPL（喷气推进实验室）的科学家发现，每隔176年，木星、土星、天王星和海王星会出现在太阳的同一侧，这意味着单一的飞行器可以借助重力协航（Gravity Assists，借助天体引力实现飞行器变轨，不仅可以有效减少燃料消耗，而且可以降低任务所需的发射能量），一次性经过4个行星。
这是一场真正的发现之旅。它们走过的每一个行星，木星、土星、天王星、海王星，都向人类呈现了未曾想象的风景。两个飞行器上各自装有11个科学考察设备，包括照相机、地磁仪、等离子光谱仪等，还有一个非常大的无线电天线，不断地向地球传回它们一路采集到的数据和照片，于是我们得以看到木星上复杂的云、风、风暴系统，以及“木卫1”伊奥（Io）上剧烈的火山活动的痕迹；我们看到迷人的土星环，成千上万的光环环环相套，像一张硕大无比的密纹唱片，密纹之上有无数神秘的辐条。
在完成了最初的土星和木星探测任务之后，两个探测器在土星分道扬镳。“旅行者1号”前往泰坦（土星最大的卫星，大气构成与地球非常相似，被认为可以有原始形态的生命存在），为此它不得不改变轨道，转向太阳系平面之外，放弃剩余的旅行计划；而“旅行者2号”则按原定计划，继续前往天王星与海王星。
在天王星上，“旅行者2号”发现了10个不为人知的新卫星。它还发现，天王星的表面磁场比土星的磁场更强，曲折的磁尾呈螺旋结构，延伸近1000万公里。
1989年8月24日，“旅行者2号”到访太阳系最后一颗行星——海王星。根据它发回的照片，海王星是一个狂风呼啸、飞云乱渡、生气勃勃的世界。大气中有无数湍急紊乱的气旋在翻转。海王星的南半球还有一个醒目的大黑斑，其形状、相对位置和大小比例都与木星的大红斑相似。
“旅行者2号”在海王星上发现了3个完整的环和6颗新卫星，以及一个被轨道辐射带包围着的磁场。它对海王星卫星“海卫一”的考察更令科学家们激动不已：“海卫一”比过去所想象的更亮、更小、更冷，是太阳系中最冷的一个天体，平均温度只有-240℃，上面有冰火山，曾喷发过甲烷等冰类物质。迄今为止，“旅行者2号”仍然是唯一到访过海王星的探测器。
斯通教授曾在一次采访中提到，太空探索有5个前沿：第一是物理的前沿，就像“旅行者号”那样，将飞行器发送到我们从未去过的地方；第二是知识的前沿，理解外面是什么；第三是技术的前沿，开发太空探索所需的系统；第四是应用的前沿，利用太空的知识让地球变得更美好；第五是人类的前沿，太空环境下人类的有效运转。
对于80岁的他来说，每一个前沿都令人心驰神往。生命不止，探索不息。
2018年，在他的主持下，NASA将发射一个“太阳探测器+”（Solar Probe Plus），它的目标与旅行者刚好相反——“旅行者号”是走出太阳气泡，solar probe则是要进入太阳的大气层（日冕），到太阳风开始、太阳气泡产生的地方，探索太阳风的起源和进化。
地球与太阳相距200个太阳半径，“太阳探测器+”则将进入到10个太阳半径的范围之内，相当于5%的距离。这是人类第一次距离太阳这么近。
2020年，他主持的“30米口径望远镜”（TMT）将在夏威夷的莫纳克亚山上修建完成。建成之后，它将成为世界上最大的天文光学望远镜。透过这台望远镜长达30米的巨大镜片，科学家的目光将越过“旅行者号”，投向更遥远的恒星系统，寻找宇宙中最古老的恒星与星系。
三联生活周刊：可以说，“旅行者号计划”是你一生最大的成就吗？
爱德华·斯通：任何一个参与其中的人，都会认为“旅行者号”是科学生涯的高峰。因为它发现了那么多东西，而且还在继续发现。
三联生活周刊：你认为近40年来，“旅行者号”最大的发现是什么？
爱德华·斯通：如果必须总结的话，我认为它们最大的发现是，太阳系的天体是如此的多样化。每个天体都如此不同，如此独特，超出了我们之前的所有想象。
在“旅行者号”之前，太阳系内唯一已知的火山活动在地球上，谁能想到木星的一个卫星上面有10倍于地球的火山活动？在“旅行者号”之前，我们以为只有地球上有海洋，但旅行者帮我们在木星的另一个卫星欧罗巴冰封的地壳下面发现了海洋。我们还在海王星最远的一个卫星（Triton）两极发现了间歇喷泉向外喷射高达5英里的物质，那里的温度是零下233摄氏度。
这些发现都告诉我们，仅仅根据地球来了解太阳系，视角太过狭隘，因为“旅行者号”已经向我们展示了太阳系的天体多么的复杂和多样化。另外，我们也必须重新思考地球，地球是如何演化的，以及变化的潜力，因为所有这些天体都在不断变化。
三联生活周刊：你是“旅行者号”宇宙飞船上宇宙射线系统的首席科学家，当时你设计这个系统时，首要的科学目标是什么？在此之前，曾经有过飞船装载的宇宙射线实验吗？
爱德华·斯通：是的，70年代初已经有很多宇宙射线实验，只不过那时候的设备比现在小很多，而且基本上都是在地球轨道上，或者近地球的。在“旅行者号”之前，只有两个探测器是离开地球轨道飞往太阳系的，即“先驱者10号”和“先驱者11号”，它们都装载了宇宙射线测量系统。但是，它们都还是在太阳风制造的气泡之内观察宇宙射线，这个大气泡的影响遍及整个太阳系，包括海王星，屏蔽了大部分（超过75%）来自银河系的宇宙射线。1972年，当我们最初申请“旅行者项目”时，就是希望能够走到太阳系之外，探测太阳系之外的宇宙射线——只有走出这个太阳大气泡之外，才能观测到宇宙射线真正的状态。
不过，那时候我们并不知道这个气泡有多大，以及“旅行者号”能否坚持飞到太阳气泡之外。1977年两艘“旅行者号”发射的时候，太空时代开始才不过20年时间，没有任何证据显示它可以持续40年。
但是，“旅行者号”一路出去，还是有很多东西可以研究。我们可以研究太阳气泡的屏蔽作用到底如何发生，是什么在阻止这些射线进来，而那些得以进来的宇宙射线又是怎么进来的？宇宙射线里其实都是普通的原子，氢、氦、氧、氮、硅、镁、离子，只不过这些原子几乎以光速运行，因此粒子能量非常强大，穿透力极强，会对人体构成极为有害的辐射。
现在，“旅行者1号”已经离开了太阳气泡，进入星际空间。我们可以观测到完整的宇宙射线光谱，从进入地球的高能量射线，到银河系最远能量最低的宇宙射线。100年来，我们第一次知道星际空间到底有多少宇宙射线（比bubble内部多4倍），我们可以测量它们的速度有多快，射线中携带的离子、氮、碳、氧的成分是多少，它们是在哪里被加速的？我们还可以问更具体的关于太阳气泡的问题，比如它的大小，为什么不是更大一点？
三联生活周刊：“旅行者1号”观测到的星际空间到底什么样子？
爱德华·斯通：星际空间充满了恒星爆炸的残余物质。137亿年前的宇宙大爆炸，一开始只是产生了氢和氦，其他的重物质，碳、氮、硅、镁、离子……都是在恒星内部产生的。当恒星爆炸时，这些新产生的元素都返回到了星际空间，变成了星际之间的物质。所以，我们通过“旅行者1号”观察到的就是，普通的原子因为附近恒星的爆炸而被加速到接近光速。这些爆炸发生在大约500万～1500万年前。从宇宙的角度来看，是新近发生的事情。
一直以来，宇宙射线的起源都是一个谜。三四十年前，我们只是大致猜测这些射线可能来自超新星爆炸，但没有任何数据，但现在我们有很大的把握相信，它们就是500万～1500万年前太阳附近恒星爆炸的产物。我们可以测量这些射线存在了多久，以及是哪些恒星发生了爆炸。
三联生活周刊：最近几年有一些新的宇宙射线实验，比如费米空间望远镜、阿尔法磁谱仪2号（AMS-02），中国去年发射了暗物质探测器“悟空号”卫星，你如何看待这些新的卫星和它们的研究结果？
爱德华·斯通：国际空间站AMS-02测量的是能量最高的宇宙射线，但这些都是到达地球的粒子——大概有三分之一的宇宙射线得以进入地球轨道。AMS-02能非常精确地测量有多少高速粒子到达地球，但它们不能测量太阳系之外的宇宙射线。
费米空间望远镜所做的，是观测这些宇宙射线来自哪里，它们在哪里产生的，为什么速度这么快？但是，像所有的望远镜一样，费米空间望远镜也是往外看，观察远方。而“旅行者号”是在观察它当下所在的地方。
三联生活周刊：为什么研究宇宙射线这么重要呢？
爱德华·斯通：因为它们是自然的一部分。如果你想让宇航员到火星去，如果人要离开地球的保护，你必须考虑辐射的问题，因为这是严重的健康隐患。辐射有两个源头，一个是外面的宇宙射线进来，大概有四分之一可以进来，但这是可以改变的；另一个则是太阳本身。太阳是宇宙射线进入地球的主要屏障。当太阳活动活跃的时候，会屏蔽更多的宇宙射线，但同时自身也会产生更多的高能粒子，所以这里面有一个平衡的问题。你必须学会判断太阳喷发有多严重，并提供相应的保护措施。
有时候，太阳突然喷发，喷射大量的物质和能量，到达近地空间后，可能引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境强烈扰动，比如破坏地球上的电力系统，比如1989年那次强烈的太阳风暴导致了加拿大魁北克省的电网大面积瘫痪。所以，研究这些东西不仅仅是为了学术兴趣，也有非常实际的目的。我们需要理解自身生活的环境，宇宙射线是这个环境里非常重要的一部分。
三联生活周刊：你如何看待太空探索的下一步？如果以今天的技术，你要设计一个长距离、长时间的星际飞行计划，就像当年的“旅行者项目”一样，你会怎么设计？
爱德华·斯通：很显然，太阳系还有很多重要的前沿需要探索，比如那些涉及液态水的地方。在地球上，只要有液态水的地方，就有微生物。我们知道欧罗巴（木星的卫星之一）的冰壳之下有液态水；泰坦（土星的卫星之一）的大气里虽然没有液态水，但它的化学构成与地球进化出生命之前的状态非常相似；我们还知道，火星上曾经有过水。所以，如果我们能找到液态水，我们就可以进一步探索是否有外星生命存在的证据。
三联生活周刊：你对伊隆·马斯克的火星移民计划怎么看？
爱德华·斯通：我认为这是一个很美好的远景。我想我们距离大规模火星移民还很遥远，但他们的方向是对的——必须减少发射的成本。因为送一个人去火星，比去轨道或者月球要复杂多了。你有很多东西要发射，登陆器、设备供给、长期的生活空间……你还得把人送回来。你最好有更便宜的发射方法，比今天便宜得多的方法。
三联生活周刊：你觉得此生能看到人类登陆火星吗？
爱德华·斯通：不。这不是科学能决定的。
三联生活周刊：人类去火星这件事情重要吗？
爱德华·斯通：我不觉得这件事情有多紧迫，但我能理解为什么人们想要去火星。你可以用机器人做很多科学工作，但就跟攀登喜马拉雅山一样，你不会想派一个机器人过去，你想要自己去。这种探索的冲动，可能内置于人性深处，从这个角度而言，我认为它是很重要的，问题是怎么找到一种更实际的方法。
三联生活周刊：你觉得人类会在月球上建立永久的基地吗？
爱德华·斯通：你当然可以在月球上建一个基地，就像我们在南极有科考站一样，问题是背后的动机是什么？这是非科学的部分。
三联生活周刊：你如何看待霍金的“突破星击”（Break through Starshot）计划？
爱德华·斯通：那是巨大的挑战，他们也知道这个挑战有多难。但重点在于，如果不试一试，你永远不知道。第一个绕地球的Navigator不是一下子就搞定的，你可以想象它经历了成千上万次的失败，直到它学会安全地绕地球运行。更大的飞船，装载更多的食物，更多的水，更多的船员……技术就是这样发展的。（编者按：今年4月，著名科学家霍金在纽约宣布了一项外星探索计划。他们将制造可达到光速1/5的“纳米飞行器”，在未来20年内抵达最接近地球的半人马座阿尔法星宜居带……他说，人类迟早要考虑在其他星球生活，飞到另一个星球去生活。）
三联生活周刊：我们都听说过“旅行者1号”和“旅行者2号”上的黄金光盘（golden disk），其中收集的声音、音乐和图像，据说是为了向外星人介绍地球的文明。在它们将近40年的旅行中，有没有发现任何关于外星人的证据？
爱德华·斯通：黄金光盘是卡尔·萨根的想法。虽然我们说它是给外星人的信息，但其实更多的是给我们自己的信息。它是我们自己对自己宣布，人类的探索可以走到这一步，我们可以从地球送一个东西到那么遥远的地方。“旅行者号”能量耗尽之后，将永远停留在茫茫太空，绕着银河系的轨道运行——即使有一天，人类消失、地球湮灭不见，作为我们存在过的唯一凭证，它仍然会在那里，每隔2.25亿年绕银河系运行一整周。
（感谢北京大学国际合作部与北京大学科维理天文与天体物理研究所为本次采访提供的帮助）
主笔 陈赛
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