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标题: [转帖] 【科技】旅行者1号远征星际 [打印本页]

作者: 青月 时间: 2013-12-9 15:04 标题: 【科技】旅行者1号远征星际

　　9月12日，美国航空航天局发布消息确认：“旅行者号已经到达了从来没有探测器到达过的空间，这是人类科学发展史上的里程碑。”此时，旅行者1号已在宇宙空间航行了36年，离地球接近190亿公里，成为进入寒冷黑暗的星际空间的第一个人造物体。对于这次星际迷航，科学家埃德•斯通说：这开启了一次历史性探索，意义相当于人类第一次绕地飞行、第一次登月。

　　如果地球文明甚至太阳系被某种未知原因毁灭，还有什么能证明人类曾经存在过，并创造了如此辉煌的文明史？

　　女作家安•德鲁彦（Ann Druyan）可能从来没有想过，这样一个关乎永恒的问题，竟然给她带来了爱情，这份爱情见证还被“旅行者1号”和“旅行者2号”带到了外太空，发送给可能存在的外星人。这个后来成为她丈夫的人就是卓有成就的行星天文学家、科普作家兼美国航空航天局（NASA）的科学顾问卡尔•萨根（Carl Sagan）。

　　萨根是纽约俄罗斯裔犹太移民的后代，父母虽然没有什么文化，但很重视孩子的教育，让他从小拥有了良好的科学素养。1939年，父母带着5岁的萨根参观了纽约世界博览会。在世博会上，他目睹了“西屋时间胶囊”（Westinghouse Time Capsule）的掩埋仪式。这个胶囊和1964年埋下的“时间胶囊2号”将于6939年被打开。

　　卡尔•萨根从一开始就参与了美国的太空计划。从1950年代起，他就成为NASA的科学顾问。除了准备月球和太阳系航天器的实验项目，萨根还在航天器上加载了自己的“时间胶囊”，1972年发射的太空飞船先驱者10号、1973年发射的11号上都携带了一块铝制的镀金铭牌，上面刻下了人类的形象及地球在宇宙中的位置。

　　1977年，美国航空航天局“旅行者项目”人事部门要求萨根“为可能遇到的外星文明准备一些信息”。萨根为此召集了一个小型委员会，准备“第一次接触”。安•德鲁彦回忆说，“当卡尔首次向我和蒂姆•费里斯提出这个项目那一刻，感觉就像一个神话。”

　　1970年代流行的信息记录技术是一种8轨磁带。这不是个好选择，因为磁带容易降解，尤其是来自空间的辐射和磁场会迅速消解磁带上的信息。后来一生致力于寻找外星文明信号的射电天文学家弗兰克•德雷克提出制作一张金属唱片，因为唱片这种古老技术被外星人理解并解读的可能性相当大。只要进行合适的屏蔽，金属唱片上的蚀刻信息能够保存几百万年。在一次餐桌会议上，委员会最终决定选择90分钟的乐曲和100张左右的照片，作为与外星文明第一次接触的见证。

　　在语言问候方面，萨根求助于康奈尔大学外语系，收集了从最古老的苏美尔语到一个5岁美国孩子所说的共计55种语言的问候。在西方音乐中，贝多芬的《第五交响曲》（命运）、查克•贝里的摇滚《强尼•B•古德》入选，披头士乐队虽然非常希望把《太阳出来了》送上太空，但因为乐队没有这首歌的版权而作罢。

　　中国音乐方面，担任创意总监的安•德鲁彦经过艰苦搜寻，找到了流传2500年的古曲《流水》（演奏者是中国古琴演奏家管平湖），激动之余，她给萨根打电话报告这个消息，由于萨根不在，她在答录机上留了言。此前他们只是工作上的熟人和朋友，仅此而已。一小时后，萨根回了电话，通话结束时，他向安提出求婚，安答应了。安回忆说：“我一放下电话，就尖叫着跳了起来。”这是1977年6月1日。

　　沉浸在爱情甜蜜中的安又提出了一个新的想法，录一段脑电波的声频文件放在唱片中，算是给未来先进的外星文明出一道题，看看他们能否破译脑电波里的想法。这个提议深获萨根和其他委员的欢心，他们鼓动安亲自来录制。于是这个27岁的年轻女人的脑电波与联合国秘书长和美国总统的问候、鲸和狗的叫声以及 116张照片、90分钟的音乐在两个多月后被旅行者1号、2号送入太空。卡尔•萨根主持设计的“金唱片”成为人类对外星交流史上重要的“时间胶囊”，其中内容被他收集整理为《地球之音》（Murmurs of Earth）。在后来的日子里，安•德鲁彦和卡尔•萨根共同创作了史上最受欢迎的科普电视片《宇宙》，合写了几本科普著作。他们于1981年结婚，相伴终生，直到1996年卡尔去世。

　　1977年的美国已经在太空竞赛中遥遥领先于冷战对手苏联。20年前（1957年10月4日），苏联石破天惊地发射了人类历史上第一颗人造卫星斯波尼克（Sputnik），人类正式进入太空时代。为了应对来自“头顶上”的威胁，艾森豪威尔总统下令成立美国航空航天局，统筹航天相关技术和计划。 1961年4月12日，苏联宇航员加加林成为第一个进入地球轨道的人，苏联再度领先。5月25日，美国总统肯尼迪在演说中声称美国应该在10年之内“把宇航员送到月球上并安全返回”，确定了首先登陆月球的目标。1969年7月20日，尼尔•阿姆斯特朗和巴兹•奥尔德林乘坐阿波罗11号登上月球。到1972 年为止，共有12名宇航员登上月球。

　　美苏双方实行不同的航天体制。苏联的航天计划由国家通过军方秘密掌控，军方拥有并经营所有的发射场、地面控制中心和太空活动，这种军事依赖导致了航天工业完全基于国内工业水平，与民用部门和国际隔离。1966年总工程师科罗廖夫去世后，苏联航天战略一度失去了方向。NASA虽然和军方渊源甚深，在项目合作上双方多有相互支持，但美国1958年通过的“空间法”确立了航天工业的民用性质，把众多的基础工业分散到多个公司甚至国际公司去，充分利用整个西方世界的智力资源。这是导致双方发展后劲不同的根源。

　　在阿波罗登月计划的同时，NASA喷气推动实验室制定了雄心勃勃的探测太阳系的“水手计划”（Mariner program），对近邻行星展开近距离观测。水手号探测器是在徘徊者月球登陆探测器基础上改进而来的。“水手计划”共发射了8艘探测器，对火星、金星、水星进行了成功的探测。尤其是水手10号连续观测了金星和水星，是第一艘观测两颗行星的探测器，利用的是“引力弹弓”技术。

　　引力弹弓，也叫作引力加速技术，即当航天器进入一个行星引力场时，会被引力场加速或者减速，从而改变其轨道和速度。早在1919年和1925年，科学家尤里•康德拉图克和弗里德里希•詹德已经提出类似的构想。但他们没有意识到，行星沿飞行器轨道施加的引力助推能够推动飞行器，从而减少行星际航行的燃料消耗，后面这个设想是喷气推动实验室23岁的研究生迈克尔•米诺维奇（Michael Minovitch）在1961年提出来的。1974年2月，水手10号从距金星5760公里处飞过，在金星引力帮助下朝水星前进，离水星最近时只有 700公里，其后进入太阳轨道。在一年多时间里，水手10号一共对水星进行了3次观测，拍摄了一万多张图片，覆盖水星表面的57%。这是人类第一次近距离观测水星，直到2011年，信使号才再次访问水星。

　　在制定太阳系远处的气体巨行星（木星、土星、天王星、海王星）以及冥王星的观测计划时，喷气推动实验室遇到了困难，即使用当时威力最大的大力神3号-半人马座火箭，也要花相当长的时间：到天王星需要16年，到海王星需要30年！漫长的时间足以让任何组织放弃这样的计划。

　　幸运的是，1965年当分析专家盖瑞•弗兰德罗（Gary Flandro）进行木星任务研究时发现，这几颗大行星将进入一个罕见排列结构。借助引力弹弓技术，探测器飞行经过太阳系所有的大行星只需要9年！每经过一颗行星，就能够增加一次速度，更快地飞向下一颗行星。这种排列176年才会出现一次，最近的发射日期就在12年后。这个时间对科学家们精心准备来说足够长，而作为科学目标来说又足够近，机会实在太好了，令人无法拒绝。

　　喷气推进实验室主任皮克林（William H. Pickering）提议打造一个探测小分队，两颗按照木星—土星—冥王星的路线走，另外两颗按照木星—天王星—海王星的路线走，但因经费削减，调整为两颗，即把水手11号、12号命名为“航海家1号”、“航海家2号”，由于翻译习惯，我们称之为旅行者1号和旅行者2号。

　　与此同时，NASA还提出两项支持计划。一项是前面提到的水手10号，在金星和水星之间进行引力弹弓技术实验。另一项是由埃姆斯研究中心（Ames Research Center）继续执行的先驱者计划。用先驱者10号、11号作为旅行者计划的先导，验证通过火星和木星轨道之间的小行星带时，微小天体对航天器的威胁程度，检验木星磁场对航天器的威胁。先驱者10号、11号于1972年、1973年发射，经过木星加速飞向土星，它们是第一批拜访木星和土星的探测器，1989年它们越过了冥王星轨道，飞向更深的太空。它们都携带着萨根设计的地球名片。

　　1977年8月20日，旅行者2号从佛罗里达州的卡纳维拉尔角由大力神3号E-半人马座火箭首先发射，9月5日，旅行者1号也成功发射升空，开始了它们光荣而漫长的遥远征程。虽然旅行者1号比2号发射要晚半个月，但它进入了运行轨道速度更快，所以在当年12月就赶上了2号，并率先于1979年到达木星。之后由于有效的引力弹弓效应的加速作用，旅行者1号的飞行速度比现有任何一个飞行器都要快，从而成为离太阳最远的航天器，超过了先驱者10号和11 号。

　　旅行者2号飞行速度较慢的飞行轨迹，但也“因祸得福”，能够保持在黄道面（即太阳系众行星的轨道水平面）上，借此在1981年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星，成为第一艘造访天王星和海王星的航天器，完成了藉这个176年一遇的行星几何排阵而造访4颗气态巨行星的机会。旅行者1号则早早地偏离了黄道面。

　　旅行者1号、2号装有广角和窄角电视摄像机，带有直径3.7米的大型高增益天线，发射质量815千克，有16台小型发动机，可精确调整其姿态，从而能更加细致地观测目标行星。

　　1979年1月，旅行者1号首次开始对木星进行拍摄。同年的3月5日，它飞行至距离木星中心349,000公里的最近点。由于从如此近距离掠过，以及高清的相机分辨率，这位“航海家”在48小时的近距离飞行中，得以对木星的卫星、环、磁场以及辐射带作深入了解及高分辨率拍摄。整个拍摄过程最终于同年 4月完成。

　　旅行者1号对木星及其卫星的观测有了不少重要发现，发现了新的卫星、辐射带性质，而且发现了木星竟有前所未见的行星环，环非常细小暗弱，地面望远镜难以发现。最令人惊讶的是在木卫一上发现了火山活动。这是在地球上从未观察到的，就连先驱者10号及11号也未观察到。木卫一的活动能量来自木星巨大的潮汐引力。

　　借助木星的引力作用，旅行者1号加速朝土星的方向进发，于1980年11月掠过土星，距离土星最近不到124,000公里。旅行者1号探测到美丽的土星环的复杂结构，并且对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层，喷气推进实验室的控制人员最终决定让旅行者1号驶近土卫六，这个决定也让它的轨迹向北偏离黄道面，造访天王星和海王星的任务只得交给旅行者2号。

　　离开土星之后，旅行者1号执行拍照任务已经很少了。1989年，它已越过相当于冥王星轨道，位置在黄道偏北32度。在1990年情人节，它拍下了最后一批照片，这就是著名的暗淡蓝点与太阳系全家福。

　　卡尔•萨根多年以来就有这样的想法，让“航海家”在将要离开太阳系之前，回望一眼地球。关于地球的著名照片有两张，一张是1968年阿波罗8号在月球上拍摄的“地出”，地球从月球上方升起；另一张是1972年阿波罗17号前往月球途中回望地球，苍茫的非洲大地和云系清晰可见。这两张照片让人们看清了地球只是一颗普通行星，这是人类认识自我的伟大成就。

　　萨根希望旅行者1号在太阳系边缘回望地球再拍摄一张照片，让人类退后一步，看清地球其实只是浩瀚宇宙中的一个毫不起眼的小不点。但拍摄这张照片阻力很大。首先这时候旅行者1号任务已进入尾声，工作人员陆续离开；而且这时地球离太阳非常近，镜头指向过于靠近太阳，可能会受到损害；要拍摄照片就需要把任务期延长6个月，花费也不菲。萨根多次呼吁无果。1989年，他抓住机会最后一次提出呼吁，并将他的愿望告知当时美国宇航局局长、海军上将理查德•特鲁利。海军上将被萨根说动，批准这个动作。当时旅行者1号距离地球40亿公里，拍摄照片的时间是1990年2月14日。

　　喷气推进实验室的行星天文学家康迪斯•汉森-科哈彻克（Candice Hansen-Koharcheck）是第一个见到这张照片的人。那天下午她独自一人在办公室，拉上窗帘，屋里一片漆黑，她说：“我知道数据已经送回来了，我想看看它是什么样。”她找到了它。它看起来只有两三个像素大小。（实际上）由于镜头几乎正对着太阳，支架反射的一缕光线正好笼罩住这个光点。康迪斯第一感觉是脊背发冷。但这就是我们的地球。旅行者1号也替金星、木星、土星、天王星、海王星拍摄了类似的照片，从而构成一幅太阳系全家福。因为位置和太阳的影响，无法拍摄到水星和火星。

　　再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。

　　在浩瀚的宇宙剧场里，地球只是一个极小的舞台。想想所有那些帝王将相杀戮得血流成河，他们的辉煌与胜利，曾让他们成为光点上一个部分的转眼即逝的主宰；想想栖身于这个点上的某个角落的居民，对别的角落几乎没有区别的居民所犯的无穷无尽的残暴罪行，他们的误解何其多也，他们多么急于互相残杀，他们的仇恨何其强烈。

　　我们的心情，我们的妄自尊大，我们在宇宙中拥有某种特权地位的错觉，都受到这个苍白光点的挑战。在庞大的包容一切的暗黑宇宙中，我们的行星是一个孤独的斑点。由于我们的低微地位和广阔无垠的空间，没有任何暗示，从别的什么地方会有救星来拯救我们脱离自己的处境。

　　地球是目前已知存在生命的惟一世界。至少在不远的将来，人类无法迁居到别的地方。访问是可以办到的，定居还不可能。不管你是否喜欢，就目前来说，地球还是我们生存的地方。

　　有人说过，天文学令人感到自卑并能培养个性。除了这张从远处拍摄我们这个微小世界的照片，大概没有别的更好办法可以揭示人类妄自尊大是何等愚蠢。对我来说，这强调说明我们有责任更友好地相处，并且要保护和珍惜这个淡蓝色的光点——这是我们迄今所知的惟一家园。

　　拍摄完太阳系全家福之后，为了节约能源，喷气推进实验室关闭了旅行者1号的相机，并删除了相关数据和程序。因为不需要它继续拍摄星空了，而且观测星空的话，今天地球上的业余望远镜就能做得更好。虽然旅行者1号探测行星的主要任务已经结束，但另一项任务仍在持续，即对太阳风进行粒子测量，尤其要寻找太阳风顶。

　　所谓太阳风，即从太阳表面吹出的高速粒子和磁场。在太阳表面，风速可达750公里/秒（每小时百万公里）。随着太阳风向宇宙空间扩散，速度会逐渐降低，最终与星际空间的气体相遇，形成所谓的日鞘层，鞘层以内由太阳风主导的区域称为日球层。太阳物理学家猜测，在日鞘层附近，太阳风速度逐渐降为零，来自银河系的星际风逐渐占据主导。

　　旅行者1号携带着粒子能量探测器、磁力计、射电等离子波探测器和紫外探测器，用于探测太阳风粒子的能量和磁场方向。从粒子成分和能量变化，以及磁场的方向可以判断日鞘层的位置。只是这一区域的存在之前完全是凭理论推测，还没有航天器涉足。从2010年起，旅行者1号探测器发现了太阳风粒子速度停止的迹象，从6月起，太阳风的读数一直为零。2012年6月，科学家分析认为，旅行者1号已经到达了太阳风的边缘，即将进入星际空间。

　　这一消息公布后，被媒体解读为旅行者1号“即将离开太阳系”，引起了普遍轰动和持续关注。这究竟是NASA的口误，还是媒体的误读，不得而知。其实长久以来，天文学家也一直在争论太阳系究竟有多大。太阳只是银河系里一颗中等偏小的普通恒星，离我们最近的比邻星半人马座阿尔法也有4.3光年。太阳系的范围不仅包括八大行星和小行星带，还有冥王星所在的柯伊伯带（30～50天文单位。1天文单位=1.5亿公里）。而且天文学家猜测，更远处还有奥尔特云（5万～10万天文单位）。柯伊伯带和奥尔特云是彗星的发源地。中国探月总工程师欧阳自远院士指出，太阳系的范围应该是15万亿公里（10万天文单位）至 30万亿公里（20万天文单位）。

　　而日球层的大小，也就是太阳风能够抵达的确切位置，科学家们并没有把握，只有太阳粒子数量的减少、磁场方向的变化和银河宇宙线数量的增多，能够告诉他们旅行者1号究竟是否穿透了日球层顶（heliopause），也就是太阳等离子体与星际空间等离子体的边界。

　　2013年9月12日，NASA发布消息确认：“旅行者1号已经到达了从来没有探测器到达过的空间，这是人类科学发展史上的里程碑。”

　　旅行者1号上等离子波科学设备的首席研究员、美国艾奥瓦大学的唐•古内特（Don Gurnett）及其团队，提供了2013年4月9日到5月22日之间的电子等离子体振荡的测量结果，当时旅行者1号所处的空间区域里，电子的密度大约为每立方厘米0.08个。而按照现有的模型，星际介质的电子密度应该介于每立方厘米0.05到0.22个电子之间。他们在回顾历史数据时，发现2012年 11月电子密度大约是每立方厘米0.06个。

　　不过旅行者1号不能直接测量等离子体数据，必须寻找其他方法进行验证。2012年3月太阳表面爆发了一次大规模的日冕物质抛射，这些物质在13个月后达到了旅行者1号所在位置，引起了仪器指数的震荡。这些数据表明，来自星际空间的粒子浓度已经超出日球层边缘的40倍！

　　这一系列相关资料证明，旅行者1号在2012年8月25日就已脱离了太阳风的范围，当时距离太阳大约121个天文单位。加州理工大学科学家埃德•斯通（Ed Stone）说：“现在，我们掌握了新的关键数据，我们相信这是人类迈入星际空间的历史性一步。虽然还需要时间来分析这些观测，弄清它们的意义。但现在可以回答那个我们一直在提的问题了：‘我们到了吗？’是的，我们到了！”

　　抵达日球层顶，一直是日球层研究领域的圣杯。现在看来，似乎可以肯定，旅行者1号已经完成了这项任务，开始朝向更新更陌生的星际空间前进了。

　　旅行者1号已经飞行了整整36年，距离我们接近190亿公里，它的信号到达地球需要17个小时。它携带的天线发射功率只有23瓦，到达地球时只有1 瓦的万亿亿分之一被天线接收到。发回的数据大约每秒16字节，由NASA的深空网络接收。要感谢这些年来射电技术的进步，让我们可以收到来自“航海家”的信息。

　　旅行者1号、2号，都是以3块放射性同位素热电机作为动力来源。这些发电机目前已经大大超出了起先的设计寿命，一般认为在大约2020年之前仍可提供足够电力令航天器能够继续与地球联系。一旦电池耗尽，旅行者1号将继续孤独地向银河系中心前进，但再也不会向地球发回数据了。

　　如今，旅行者1号以每年3.5天文单位的速度远离太阳，轨道离开黄道面偏北35度，直到公元40272年才会到达1.7光年远的小熊星座AC+79 3888。旅行者2号的速度每年3.1个天文单位，轨道离开黄道面偏南48度，它在4万年后会经过1.7光年远的仙女座恒星罗斯248——如果它们之前没有被外星文明截获的话。

　　祝它们好运！

[ 本帖最后由青月于 2013-12-9 15:19 编辑 ]

作者: ruokey 时间: 2013-12-11 01:14

旅行者1号注定是一个传奇～

不过，也许很快就会有更快的星际飞行器，可以超过旅行者1号，并且把它拿回来或者改造它～

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