在21世纪中期，如果一切按计划进行，拉尔夫·麦克纳特将离开太阳系。
或者更确切地说，是他的心血结晶：一项潜在的NASA任务，暂定名为星际探测器，麦克纳特过去半个世纪以来一直在追求它——自从他还是一个充满梦想的高中生，思考着阿波罗宇航员登上月球后人类的下一个巨大飞跃。如今，麦克纳特是约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）一位65岁的物理学家，并且作为该项目的首席研究员，是星际探测器背后的重要推动力。据他统计，全球近200名科学家和工程师正在积极努力实现这项任务，其中许多人是他亲自招募的。
麦克纳特引用《道德经》中的名言说：“星际探测器有可能成为老子所说的‘千里之行，始于足下’。” “这可能成为我们迈向星辰的第一步。选择权在我们手中。”
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它将从2030年代初期开始，发射一艘大约半吨重的核动力宇宙飞船，使用世界上最大的火箭，旨在比任何人类制造的物体飞得更远、更快。探测器将飞掠木星，或许之后还会冒险靠近太阳，在这两种情况下都吸取每个天体的一部分动量，加速以增强其逃逸能力。然后，随着太阳和主要行星迅速在身后远去，飞船将从环绕我们太阳系的原始尘埃雾霾中脱颖而出，使其能够不受阻碍地瞥见来自无数遥远星系的微弱全天辉光。继续前进，它可以飞掠一颗或多颗已知存在于冥王星之外的冰冷、未探测的世界。回望地球，它可以寻找地球这颗淡蓝色星球的迹象，寻找从附近恒星可以看到的我们星球生命的线索。
然而，所有这一切都只是序幕，麦克纳特和其他任务规划者将其定位为探测器核心科学目的的前奏。发射后约十年，它将穿透日光层——一个由来自太阳的粒子“风”形成的环绕我们太阳系的茧状区域——到达并研究构成“星际介质”的宇宙射线和等离子云，星际介质充满了恒星之间的黑暗空间。继续它的巡航，到2080年代，它有可能已经行驶了1000个天文单位（AU），或地球-太阳距离，远离太阳系，最终实现其主要目标：对日光层进行前所未有的鸟瞰，这可能会彻底改变我们对自身在宇宙中地位的理解。
APL的研究员埃琳娜·普罗沃尼科娃负责领导任务的太阳物理学科学规划，她说：“我们已经看到了其他恒星周围的日光层——‘星层’，但我们不知道我们自己的结构。” “所以想象一下，你坐在家里，有人问你从外面看起来是什么样子。你需要走出去看看。[星际探测器]将是我们第一次派遣专门的仪器有效载荷到外面，为我们提供那张照片。”
访问星层
它不会是第一个进入星际空间的现役宇宙飞船：NASA的旅行者1号探测器于2012年离开日光层，其孪生兄弟旅行者2号于2018年紧随其后。但是，1970年代的旅行者号飞船是意外的见证者，它们被设计用于为期4.5年的任务，以研究外太阳系行星，而不是更远的地方。只有极大的运气和聪明才智才使它们能够幸存下来到达日光层——它们的大部分老式机载仪器由于缺乏电力而失效。
一张艺术家概念图，展示了旅行者号探测器的位置以及日光层的概念架构。星际探测器和其他任务的研究可能会揭示日光层的真实形状，从而解决数十年的科学推测。图片来源：NASA和JPL-Caltech
旅行者号任务的微薄测量结果揭示了一个复杂、动态的结构，这是由我们太阳的呼出物与星际介质更强的逆风相互作用产生的。两者都首先穿过一个过渡性的“日球层顶”边界区域，在那里，太阳风和星际介质的压力处于微妙的平衡状态。在日球层顶之外，这片区域仍然基本上是未知的。我们的日光层受到银河系磁场和来自古代大质量恒星爆炸性死亡的粒子雨的塑造，可能最像一个风向袋，当我们的太阳系穿过银河系时，在其尾迹中延伸出一条长而波浪形的“尾巴”。相反，它可能更像一个简单的气泡，或者介于这两种情况之间的东西——一个新月形，带有双锥形的尾叶。目前尚无人知晓。但可以肯定的是，日光层保护我们免受银河系角落里大部分高能宇宙射线的侵袭——这些射线撞击我们脆弱的星球，会改变气候，甚至改变我们自身的DNA，撕裂地球生物圈基底的细胞机制。
普罗沃尼科娃说：“所有这些连接以某种方式结合起来，形成了我们可居住的星层。” 从某种意义上说，在一个不起眼的黄矮星周围的一个小星球上，生命出现和持久的奥秘的部分答案可能在几乎难以想象的遥远地方，在太阳系未知的边缘被找到。
旅行者1号是目前速度最快的外行宇宙飞船的记录保持者，其速度为每年3.6个天文单位。麦克纳特确信星际探测器的速度至少可以快两倍——这个下限将使宇宙飞船在其发射后的50年内仅能到达1000个天文单位的宏伟目标的略多于三分之一的路程。麦克纳特说：“每个人都希望这个数字更大。”但他补充说，更适中的速度将为沿途任何给定目标的科学观测留出更多时间。
APL的太空系统工程师、星际探测器的共同研究员迈克尔·保罗说：“为了说明这一点，我们可以在大约发射后十几年到达旅行者1号现在的位置，而不是旅行者1号花费了近半个世纪才到达那里。” 当然，前提是星际探测器最终能够发射升空。
大型火箭，更大的风险
早在1958年国家科学院的一份报告中就首次提出了类似星际探测器的想法，但类似的项目一直让太空科学家们难以捉摸，他们一直受到技术缺陷的阻碍，最重要的是，缺乏足够强大的火箭技术。无需过多提示，麦克纳特就可以背诵出星际任务失败的漫长而令人沮丧的历史，列举了数十年来（他参与了许多）的所有最终未能发射的研究。
随着NASA太空发射系统（SLS）的开发，情况开始发生变化，SLS是一种极其昂贵且长期延误的巨型火箭，计划于2021年进行首次试飞，并计划提供几乎是目前在役任何其他助推器两倍的推力。虽然SLS主要用于将宇航员运送到月球和火星，但它也可以高速将重型机器人有效载荷抛向整个太阳系——前提是科学家们为这种昂贵的必要性提出令人信服的理由（最新估计预测SLS火箭可能每年只飞行一次，每次发射成本超过20亿美元）。
NASA对SLS的首要科学应用是欧罗巴快帆任务，旨在寻找木星一颗神秘的、载有海洋的卫星欧罗巴上宜居性和生命的迹象。但是，火箭的进度延误可能迫使欧罗巴快帆号改用更小、更慢、更便宜的商业助推器发射。对于星际探测器来说，这样的选择更难考虑，因为星际探测器对速度的需求将使强大的SLS达到极限（因此有助于证明火箭的存在是合理的）。
如图所示，在美国国家航空航天局（NASA）太空发射系统（SLS）火箭的首次试飞准备工作期间，SLS火箭有朝一日可能会发射星际探测器。图片来源：Steven Seipel NASA
NASA马歇尔太空飞行中心SLS有效载荷利用经理罗布·斯托夫说：“认为以后会有更好的东西出现，并希望一切完美地结合在一起，是非常危险的。” “SLS即将上线并将可供使用，这很棒。这是应该加以利用的东西。”
目前，麦克纳特和他的同事们都同意。“这正处于技术上可行的边缘，它看起来不如《星际迷航》中的飞船那么好，但我不知道去哪里买那些飞船，”他说。“[SLS]的价格很高，但我知道去哪里买那玩意儿。”
为此，NASA的太阳物理学部门——与地球科学、行星科学和天体物理学部门一起构成了该机构科学任务理事会的四大支柱——将在未来三年内为麦克纳特和他的同事们提供650万美元，以加强他们概念性任务的科学和工程细节。由此产生的研究将为2021年的太阳物理学十年调查提供依据，这是一项每10年一次的社区评估，旨在指导联邦政府制定国家空间科学目标和预算。当调查建议于2023年发布时，登上榜首将是使星际探测器成为现实的最大一步。未能达到该目标可能会使其至少在任务规划的边缘再待十年。
然而，即使星际探测器获得了调查的令人垂涎的祝福，麦克纳特和他的同事们也认为，它仍然需要来自NASA其他部门（例如该机构的行星科学和天体物理学部门）的“支持”，以最大限度地提高其实际飞行的机会。因此，该任务在其离开太阳系的过程中安排了密集的跨学科科学观测议程，范围从研究矮行星到收集遥远星系的光线。理想情况下，每组观测都将使用其自身的专用仪器，并依赖于独特的、个性化的飞行剖面——但这在离开太阳系的这艘快船上是不可能的，因为船上的一切都必须是多用途的，即使是微小的轨迹调整也可能带来重大后果。
尾巴摇狗
在最近在纽约探险家俱乐部举行的专门讨论星际探测器科学的研讨会上，不同研究界希望利用该任务的紧张关系已经显现出来。对于一些与会者来说，跨学科的讨论使该任务所谓的太阳物理学重点似乎几乎成了事后诸葛亮。
旅行者号资深首席研究员、APL的汤姆·克里米吉斯曾参与过水星、冥王星和两者之间每颗行星的任务，他说：“如果主要目标是了解日光层的形状，那么这应该高于一切。” “我们绝不能让星际探测器成为‘圣诞树’。如果每个人都可以在上面挂自己的装饰品，那么，它当然会太重、成本太高，并会因自身重量而沉没，永远不会实现。”
争论的关键点是宇宙飞船实际应该去哪里。通过效仿旅行者号的脚步，从日光层稀薄的前导半球——它的“鼻子”附近离开，大概可以最快地进入星际介质，并且还可以更近距离地研究一条神秘的带状特征，这条带状特征最早在2009年被观测到，由高能原子组成，覆盖了部分日球层顶。横向离开太阳系——离开日光层的“侧翼”——可以提供更好的日光层形状的整体视图，并加强对在其湍流边缘扫过的星际尘埃的研究。支持侧翼的另一个因素是中国航天局开展自己的日光层任务的潜在计划，该计划由北京大学的宗秋刚提出。宗秋刚的提案呼吁发射双“星际快车探测器”，一个朝向鼻子发射，另一个朝向尾部发射，最早可能在2024年发射——两者都将在2049年左右到达100个天文单位。
APL的星际探测器副项目科学家凯瑟琳·曼特说：“看到这些结果会很有趣。” “如果我们从侧翼出去，我们将覆盖所有三个方向。”
在冥王星之外研究大量矮行星和其他冰冷漂浮物的科学家可能是研讨会上唯一对探测器轨迹持不可知论态度的参与者。圣路易斯华盛顿大学的行星科学家威廉·麦金农说：“无论太阳物理学界希望将宇宙飞船指向哪个方向，沿途都会有一个或多个非常有趣的[天体]。” 然而，如果天文学家很快发现第五颗巨行星，而间接证据表明这颗行星可能潜伏在太阳系后方，那么这种不可知论可能会结束。基于假想行星对较小天体轨道的影响的领先理论模型表明，它的质量可能是地球的五倍，并且距离太阳大约400到500个天文单位，朝向日光层的尾部。
一颗假想的第五颗巨行星的艺术家插图，它可能存在于冥王星之外的遥远地方。这样一个世界可能是星际探测器离开太阳系时不可抗拒的目标。图片来源： Caltech和R. Hurt (IPAC)
APL的研究员、星际探测器行星科学规划负责人柯比·鲁尼昂说：“如果发现第五颗巨行星，那么朝它飞去将是非常有力的理由。” “对于这种飞掠，仍然可以进行太阳物理学研究。也许我们应该让尾巴摇狗。”
派遣星际探测器飞掠一颗新发现的巨行星几乎肯定会巩固NASA行星科学部门的参与，从而可能增加任务预算并确保其通往发射台的道路。然而，这也可能冒着破坏任务主要由太阳物理学驱动的科学目标的风险。普罗沃尼科娃说：“如果日光层的形状像一个风向袋，如果我们朝尾部飞去，我们还能到达星际介质吗？” “一些模型预测，尾部可能会延伸数千个天文单位。如果这是真的，宇宙飞船最终可能会到达那里，但我们谁也活不到看到那一天。”
太空和时间的航行
说实话，即使它真的发射了，寿命表和深空任务的漫长时间尺度也为星际探测器除最年轻的规划者之外的所有人看到了整个事业的黯淡前景。但这也被考虑在内：去年，曼特正式邀请了研究宇宙飞船团队的普林斯顿大学社会学家珍妮特·维尔泰西参与星际探测器任务。
维尔泰西说：“计划这次任务的大多数人将在任务完成时去世。” “我们以前发射的所有任务都没有考虑到这种寿命。但是，星际探测器需要从一开始就为一个跨世代的、连续的过程进行规划。婴儿潮一代现在负责运行它，X世代将接下来运行它。但是，千禧一代将在它到达日球层顶时运行它，Z世代将在它到达星际介质时运行它。”
维尔泰西的一些担忧是技术性的：如何在多代人之间构建科学观测；如何读取和保存来自半个世纪前的宇宙飞船的数据。但她思考最多的是文化问题：如何确保一代人辛辛苦苦获得的运营知识 передается 给下一代并经受住时间的考验？如何保证个人在将他们的一生奉献给一些更伟大、尚未实现的事业后，能够优雅地离开？她怀疑，这些问题的解决方案不会在任何电子表格或超级计算机计算中找到。相反，成功地航行到太阳系之外的极限将需要重新点燃讲故事和仪式的永恒艺术，创建一个基于任务的神话，围绕这个神话，一代又一代的科学家可以团结起来。
保罗说：“我们正在非常谨慎地准备这项任务，不仅要成功到达日光层，还要成功地将领导权从一代人 передается 给下一代。” “我们意识到我们不是这项任务的原因——我们是星际探测器得以实现的工具。”
所有这一切都让麦克纳特感到高兴，在他数十年的星际追求中，他偶尔将自己比作西西弗斯，希腊神话中的人物注定要将一块永远倒退的巨石推上山。他说：“我一直在努力将这块石头滚上山。” “但我也一直在拼命地试图说服其他人，他们真的、真的会喜欢接手。”