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“旅行者”:40年的太空史诗

Shea/编译

在休眠了10年之后,1990年2月14日,“旅行者”1号的照相机被最后一次开启。随后,在距离地球59.5亿千米的地方,它拍摄了60幅照片。美国宇航局喷气推进实验室的科学家由此制作出了一幅迄今最遥远的太阳系全家福,作为当天情人节的礼物。在无尽黑暗中的就是我们的地球。它不再是“阿波罗”计划时代那颗蔚蓝色的星球,而是一个暗淡蓝点,犹如一粒微不足道的尘埃。就在这个不足一个像素的地方,它是所有人类赖以生存的舞台。

这些淡然的照片是两个“旅行者”探测器所拍摄的最后图像,而它们奔赴外太阳系的旅程则始于40年前,分别于1977年夏末和初秋离开地球。当时执掌美国白宫的是吉米·卡特(Jimmy Carter),而一部此前鲜为人知的电影则正在横扫票房,它的片名叫《星球大战》。那时冥王星仍被视为是一颗重要的行星,而在其他恒星周围存在有行星的想法还停留在科幻中。

即将被“旅行者”横扫的还有人类对太阳系的认识。它们造访了木星、土星、天王星和海王星,彻底改变了已有的观念。它们在一系列的飞掠中向我们展示,木星的伽利略卫星并非是死气沉沉的星球,它们每一颗都拥有各自的特性和神秘。它们发现,壮观的土星环复杂而多变,其中还充斥着波纹。它们为人类献上了海蓝色天王星和深蓝色海王星的第一幅特写照片,而此前在地面望远镜中它们只不过是两团隐约模糊的光斑。它们共拍摄了52个天体的照片,其中有23颗卫星是“旅行者”首次发现的。即使现在早已把太阳系的行星落在了身后,在进入星际空间的过程中,它们仍在继续向地球发回数据。


[图片说明]:1990年“旅行者”1号从黄道平面之上32度的地方、在迄今最遥远的距离上拍摄了太阳系的全家福。此时,太阳的视直径只有从地球上看到的约1/40分之一大。在照片中,地球的大小只有0.12个像素。版权:NASA/JPL。

引力助推

正是在1961年5月,美国总统肯尼迪向国会发表了他的“登月”演讲,他呼吁美国在那个十年过去之前将一个人送上月球。在同一个演讲中,他谈到研发核火箭,有一天它可以让更加雄心勃勃的任务成为可能,“也许可以去往太阳系的边界”。

在当时,把一个航天器送往那么遥远的地方被认为是不可能的。使用传统的火箭,需要30年才能到达海王星,这远远超出任何可行航天器的寿命。普遍的看法是,除非研发出某种高能推进系统,否则外太阳系将是不可及的。将这一不可能变成可能的要归功于喷气推进实验的两名实习生迈克尔·米诺维奇(Michael Minovitch)和加里·弗兰德罗(Gary Flandro)。

1962年,米诺维奇破解了经典力学中的一道难题:三体问题。它描述了两个天体的引力是如何影响第三个天体的轨迹的。通常,前两个天体是太阳和行星,第三个天体则是月球、彗星或小行星。天文学家早就已经知道小天体的轨迹会受到大天体的影响,例如彗星的轨道会被木星一次又一次地改变。问题的关键是要能够准确地预言第三个天体的轨迹将如何改变的。

米诺维奇不但解决了这个问题,而且还证明在无需额外燃料的情况下,这一效应可以用来发射能穿行于太阳系中的探测器。探测器所要做的就是从足够近的距离上、以与某颗行星公转相同的方向飞过它,由此就能“偷走”该行星的一些动量。此后,它会沿着新的方向以更快的速度被散射出去,而行星则会发生几乎可以忽略地减速,这就是引力助推。

3年后的1965年,弗兰德罗注意到在20世纪70年代末和80年代初期木星、土星、天王星和海王星会罕见地都位于太阳系的同一侧,这一现象每176年才会出现一次。在这期间,使用引力助推,一个航天器就可以探测所有的这些行星,且只需要9年的时间就能抵达海王星。在弗兰德罗提出这些发现的第2天,喷气推进实验室就发表了一篇新闻稿,描述了一个去往外行星的任务。行星际大巡游的想法就此诞生。

为了与这个罕见的天象相配,喷气推进实验室最初的构想极具雄心,计划发射4个航天器,外加轨道器和大气探测器,成本高达9亿美元。对美国国会来这个价码太高,1971年该项目被叫停。从它的灰烬中诞生出了“旅行者”,一个仅限于木星和土星的简化版任务,但美国宇航局的工程师们却从来没有放弃过行星际大巡游的想法。他们从10 000条轨道中选择出了2条:“旅行者”1号将飞过木星、土星及其卫星土卫六,而“旅行者”2号的航行路线则会延伸到天王星和海王星。它们在制造时就考虑到了漫长的旅程:所携带的电池可以工作数十年,有足够的燃料来保持探测器的天线对准地球,并且有史以来第一次航天器可以自主飞行。

在发射时,天王星和海王星仍处于计划之外。只在1981年最终飞掠土星获得了大量数据和发现之后,这一拓展任务才亮起了绿灯。

一个全新的世界

1979年,当“旅行者”1号和2号分别在3月和7月到达木星时,它们开创了重写教科书的先例,在此后的每一次飞掠中这一壮举不断重现。

最大的惊喜之一是木星的卫星木卫一。它并不是科学家所预期的灰色贫瘠天体,而是一颗遍布着橙色、黄色和蓝白色斑点的卫星,还有喷发的火山和熔岩流。这是第一次在地球以外的地方观测到活火山活动。在木星的周围还发现了一组由尘埃构成的薄环,远不及土星环那么壮观。人类第一次拍摄到了木星大红斑的特写照片,发现它是一个巨大的反气旋风暴系统,足以吞下3个地球。在对木星以及后续其他行星的飞掠中,“旅行者”都更新了我们对它们大小、自转周期、磁层以及内部成分的已有认识。


[图片说明]:1979年3月和7月“旅行者”1号和2号分别飞掠木星。它们发现木星的卫星木卫一上存在有活火山活动、木星拥有由尘埃构成的暗环并对木星的磁场和辐射带进行了研究。版权:NASA。

在土星,这2个探测器所拍摄的图像证明,即使用现代望远镜看上去呈固态的土星光环其实是由大小从1厘米到10米不等的水冰块所组成的。更令人惊讶的是土星环的复杂性。它们发现土星的A、B和C环其实都是由数十个更小的环所组成的。A和B环之间的卡西尼环缝并非是空的,而是散落着尘埃和碎石。此外,还新发现了两个光环以及首批“牧羊犬卫星”土卫十六和土卫十七,分别位于土星F环两侧。牧羊犬卫星位于光环平面内,看护维持着环的机构。在当年的晚些时候,“旅行者”2号发现了第3颗牧羊犬卫星、呈核桃形的土卫十八。

但是,最让任务科学家们为之兴奋的是看到橙色且没有任何细节的土卫六,它是太阳系中已知唯一一颗拥有实质性大气层的卫星,这层大气厚到让“旅行者”1号无法看到它的表面。但“旅行者”可以探明的是占据该大气主导成分的并非是水,而是甲烷和其他有机化合物,这让土卫六与初生的地球十分相像。射电测量还发现,土卫六其实并非如长期以来一直认为的是太阳系中最大的卫星,它浓厚的大气层夸大了其真实的大小。


[图片说明]:1980年11月和1981年8月“旅行者”1号和2号分别飞掠土星。为了更好地探测土卫六,“旅行者”1号的飞行轨迹做了优化,这使得它从土星南极下方飞过,进而脱离了黄道面,为其行星探测任务划上了句号。“旅行者”1号还有一个未实施的后备方案:不飞掠土卫六,而是从土星去往冥王星,预计会在1986年抵达。版权:NASA。

从土星开始,两个“旅行者”分道扬镳。“旅行者”1号冲出了太阳系的黄道平面,“旅行者”2号则加速去往天王星,在1986年1月对其实施飞掠探测。天王星看上去十分宁静,没有在木星和土星上可见的明显风暴和纬向条带。它的内部也与这两者大为不同,主要由水冰、甲烷和氨构成,由此建立了一个新的门类:冰质巨行星。“旅行者”2号发现天王星拥有11条光环,比预期的多了2条,但真正令人迷惑的是它的卫星天卫五,它有着年轻和年老的表面以及冰封悬崖和峡谷的地貌。


[图片说明]:1986年1月24日“旅行者”2号飞掠天王星。它新发现了天王星另外的2道光环以及11颗卫星(插图中圈出了其中的5颗),测得天王星的自转周期为17小时14分钟。版权:NASA/JPL。

海王星也是一颗冰质巨行星,但它却不像天王星那么平静。在1989年8月“旅行者”2号飞掠海王星的时候,它发现了多个风暴,其中就包括了一个地球大小的反气旋,被称为大暗斑,以及太阳系中最猛烈的狂风。在一个距离太阳如此遥远且如此寒冷的行星上会出现这么活跃的大气现象着实让科学家们感到吃惊。

作为“旅行者”行星探测的收官之作,它所造访的最后一颗卫星亦如木卫一那样神奇。冰冻的海卫一具有一个巨大的季节性极地冰盖,它还拥有活跃的间歇性喷发,会把氮输送到其稀薄的大气中。最令人兴奋的是海卫一绕海王星转动的方向与该系统中的其他卫星相反,暗示它可能是被海王星俘获的来自外太阳系柯伊伯带的天体。


[图片说明]:1989年8月25日“旅行者”2号飞掠海王星,该图为根据3维模型制作合成的概念图。它发现海王星上存在着反气旋风暴大暗斑,但哈勃空间望远镜之后在1994年11月的观测却发现它完全消失了。版权:Celestia。

进入星际空间

1990年“旅行者”1号所拍摄的太阳系全家福标志着行星际大巡游的结束和“旅行者”星际任务的开始,它进入了一个探测太阳与星际空间相互作用边界的新阶段。

2004年它抵达了终端激波,这里是从太阳吹出的太阳风开始变缓的区域。2012年“旅行者”1号探测到高能粒子数目的变化,证实了它已经越过了太阳风层顶——即日球层的边界——进入了星际空间。到目前为止,它是唯一个做到这一点的航天器;“旅行者”2号预计还要5年时间。然而,这并不意味着“旅行者”1号已经脱离了太阳系。这要等到它飞出由冰质天体构成的奥尔特云之后,还需要约40 000年的时间。


[图片说明]:“旅行者”1号进入星际空间的艺术概念图。星际空间中充满着等离子体(图中左侧呈橙色),它们是在数百万年前由近距巨星死亡时所抛射出的。从太阳吹出的等离子体会在与之交锋处发生相互作用。版权:NASA/JPL-Caltech。

到那时,两个“旅行者”早已停止了工作。但即使以今天的眼光来看,它们仍是极为尖端的航天器。虽然有大量的仪器已经失灵,还有几个被永久关闭以此来减少对能源的消耗,不过根据预期直到2025年“旅行者”仍会不断向地球发回数据。然而,毋庸置疑它们微弱的信号终有一天会消失,那时它们会悄无声息地驶向群星。

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