圖解深空探測(cè)史

文/ 葉楠

遠(yuǎn)離太陽(yáng)的天體探測(cè)

1609年，伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向天空，他看到了木星的4顆衛(wèi)星以及土星的光環(huán)。1781年3月13日，威廉·赫歇爾利用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星。1846年9月23日，伽勒根據(jù)勒維耶通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)出的位置發(fā)現(xiàn)了海王星。1930年2月18日，湯博利用照相術(shù)發(fā)現(xiàn)了冥王星。1992年8月30日，除冥王星及其衛(wèi)星外的第一顆海王星外天體被發(fā)現(xiàn)……之后更多柯伊伯帶天體陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。這些天體由于距離地球過(guò)于遙遠(yuǎn)，對(duì)它們的探測(cè)動(dòng)輒需要耗費(fèi)數(shù)十年以上的時(shí)間，這對(duì)探測(cè)器提出了更高的要求。

從土星到天王星

“旅行者2號(hào)”是美國(guó)宇航局于1977年8月20日發(fā)射的探測(cè)器，雖然它比“旅行者1號(hào)”抵達(dá)木星和土星晚一些，但這樣的速度能讓它的軌道保持在黃道面上，而且，借由176年才一遇的行星間幾何排列，“旅行者2號(hào)”還可以借助木星和土星的引力加速，去探訪天王星和海王星。1981年8月25日，“旅行者2號(hào)”通過(guò)飛掠土星的借力，進(jìn)入天王星交會(huì)軌道。1985年11月，“旅行者2號(hào)”進(jìn)入距天王星1億公里的遠(yuǎn)距離觀測(cè)階段。圖為“旅行者2號(hào)”通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝的天王星圖像，可以看到天王星的ε環(huán)。

飛掠天王星

1985年6月，“旅行者2號(hào)”拍攝了第一張作為導(dǎo)航用的天王星的照片，此后半年多的時(shí)間里，在“旅行者2號(hào)”的相機(jī)里只有天王星及其衛(wèi)星。通過(guò)照片，更多天王星的衛(wèi)星相繼被發(fā)現(xiàn)。1985年12月，首先發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)十五。1986年1月的上半個(gè)月又發(fā)現(xiàn)了6顆衛(wèi)星。1月20日，在ε環(huán)兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)六和天衛(wèi)七（左圖內(nèi)側(cè)是天衛(wèi)六，外側(cè)是天衛(wèi)七）。1月24日，“旅行者2號(hào)”在距離天王星中心107000公里處飛掠。之后它又拍到了天衛(wèi)四表面的山峰、天衛(wèi)三（右圖）上巨大的撞擊坑及斷層、布滿撞擊坑的天衛(wèi)二以及表面最年輕的天衛(wèi)一。

奇特的天衛(wèi)五

在所有天王星的衛(wèi)星中，天衛(wèi)五（左圖）最令人矚目，是目前為止太陽(yáng)系中觀測(cè)到的最為奇特的衛(wèi)星之一。它的表面有類(lèi)似火星上的山谷、類(lèi)似木衛(wèi)三上的溝壑、類(lèi)似水星上的擠壓斷層，還有3個(gè)直徑200～300公里的橢圓形區(qū)域，其中最具特色的是一系列溝槽和陡坡組成的V字形地貌。在右圖中晨昏線處的懸崖高度超過(guò)20公里，在這樣一個(gè)弱引力天體上，從崖頂扔下一個(gè)物體需要10分鐘時(shí)間才會(huì)落地。關(guān)于天衛(wèi)五的形成過(guò)程可能要等到下次探測(cè)才能夠得到解答。

飛掠海王星

飛掠前13小時(shí)，在距離35倍海王星半徑處，“旅行者2號(hào)”遭遇了一次非常清晰的弓形激波，發(fā)現(xiàn)粒子通量隨磁場(chǎng)增大而減少，由于海王星的磁極和自轉(zhuǎn)軸之間有約47度的夾角，后來(lái)確認(rèn)這次“旅行者2號(hào)”幾乎是在磁極上方且與磁力線平行的方向進(jìn)入了海王星磁層。飛掠前63分鐘，“旅行者2號(hào)”在距離海王星中心85500公里處由南向北穿越了環(huán)平面。隨后，世界時(shí)1989年8月25日3時(shí)56分，“旅行者2號(hào)”在距離29240公里處成功飛掠海王星。下圖是在飛掠最近點(diǎn)時(shí)“旅行者2號(hào)”拍攝的海王星高空云投射到主云層下方的陰影。

向海王星進(jìn)發(fā)

借助天王星引力的助推，“旅行者2號(hào)”繼續(xù)飛向海王星。為了能更精確地接近目標(biāo)，1986年2月14日，“旅行者2號(hào)”進(jìn)行了一次長(zhǎng)達(dá)2.5小時(shí)的軌道機(jī)動(dòng)，消耗了12千克的肼燃料。海王星到地球的距離大約是天王星的1.5倍，為了接收到更加微弱的信號(hào)，包括“甚大陣”在內(nèi)的全球共計(jì)38臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡都參與了觀測(cè)，“旅行者2號(hào)”不再只是一個(gè)國(guó)家的任務(wù)，更是整個(gè)人類(lèi)對(duì)宇宙探索的一個(gè)期望。1987年3月13日，“旅行者2號(hào)”再次實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，在新的軌道上它將剛好穿越海王星光環(huán)，之后轉(zhuǎn)向飛掠海衛(wèi)一。

1988年5月，“旅行者2號(hào)”拍攝到第一張海王星照片，此時(shí)它距離海王星仍有6億公里遠(yuǎn)。1988年底，隨著距離的接近，照片也逐漸清晰起來(lái)，海王星就像是一個(gè)藍(lán)色的小圓盤(pán)，海衛(wèi)一是一個(gè)粉紅色的小點(diǎn)（左圖）。在海王星中心附近存在著類(lèi)似木星大紅斑似的黑色斑點(diǎn)。通過(guò)1989年4月的照片（右圖）測(cè)出黑斑大小為東西13000公里、南北6500公里，隨后被命名為“大黑斑”。歷史上關(guān)于海王星大黑斑的記載可以追溯至1899年。但是1994年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的海王星高分辨率圖像中并不存在這些黑斑。后續(xù)研究表明這可能是海王星云層上的空洞。

探訪海衛(wèi)一

“旅行者2號(hào)”在飛掠海王星后將注意力投向了海衛(wèi)一，它有5個(gè)小時(shí)的時(shí)間對(duì)海衛(wèi)一進(jìn)行勘測(cè)。此時(shí)海衛(wèi)一的北半球處于黑暗中，直到2040年；南半球的春天始于1960年，將持續(xù)到2000年以后。海衛(wèi)一的南極冰蓋將本就不多的陽(yáng)光幾乎全部反射出去，這使它成為了當(dāng)時(shí)已知太陽(yáng)系內(nèi)最冷的地方，溫度只有-235℃。在南極地區(qū)發(fā)現(xiàn)了間歇性的噴流活動(dòng)，這是繼木衛(wèi)一的火山后，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)正在進(jìn)行中的地質(zhì)活動(dòng)。赤道附近的地形復(fù)雜多樣，最引人注意的是稀疏的多坑平原，與哈密瓜皮很相似，之后也被稱(chēng)為哈密瓜皮地形。上圖是“旅行者2號(hào)”拍攝的魯阿卡平原的高分辨率圖像。通過(guò)測(cè)定“旅行者2號(hào)”軌道偏離得出海衛(wèi)一的密度為每立方厘米2克，令人驚奇的是這個(gè)數(shù)值與冥王星相同，之后關(guān)于海衛(wèi)一各種俘獲假說(shuō)便大量涌現(xiàn)。

太陽(yáng)系合影

1989年8月31日，“旅行者2號(hào)”在遠(yuǎn)離海王星的過(guò)程中拍攝了一組海衛(wèi)一凌海王星的照片。從1962年的“水手2號(hào)”飛掠金星開(kāi)始，經(jīng)過(guò)27年的時(shí)間，人類(lèi)對(duì)除地球外的全部7顆大行星都完成了探測(cè)。13年間，“旅行者2號(hào)”傳回了67萬(wàn)張照片，下圖是它拍攝的最后一組照片，照片展示的是整個(gè)太陽(yáng)系天體的合影。但是“旅行者2號(hào)”仍然未到退役的時(shí)候，2018年12月，美國(guó)宇航局確認(rèn)“旅行者2號(hào)”飛出日球?qū)禹敚ㄌ?yáng)風(fēng)影響區(qū)域），成為第二顆進(jìn)入恒星際空間（銀河系射線影響區(qū)域）的探測(cè)器。同時(shí)，美國(guó)宇航局也認(rèn)定奧爾特云外緣是太陽(yáng)系的邊界，“旅行者2號(hào)”大約要航行3萬(wàn)年才能飛出太陽(yáng)系。

“新視野號(hào)”造訪冥王星

“新視野號(hào)”（左圖）是美國(guó)宇航局于2006年1月19日發(fā)射的以冥王星為首要目標(biāo)的探測(cè)器，彼時(shí)冥王星仍隸屬太陽(yáng)系九大行星之列，但是隨著更多的柯伊伯帶天體被發(fā)現(xiàn)，同年8月24日國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)決議將冥王星認(rèn)定為矮行星。發(fā)射之初，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)相對(duì)地球速度為每秒16.26公里，是有史以來(lái)發(fā)射速度最快的探測(cè)器。經(jīng)歷了9年6個(gè)月的長(zhǎng)途跋涉后，2015年7月14日，“新視野號(hào)”在距離12472公里處飛掠冥王星，傳回了大量冥王星照片，右圖是其中廣為流傳的一張，拍攝于飛掠前一天。另外值得一提的是冥王星的發(fā)現(xiàn)者克萊德·湯博的部分骨灰也隨“新視野號(hào)”一起造訪了冥王星。

飛向“天涯海角”

“新視野號(hào)”在完成冥王星探測(cè)之后的第二個(gè)月，科學(xué)家們?yōu)樗x定了下一個(gè)飛掠探測(cè)目標(biāo)——486958號(hào)小行星。這是一顆位于柯伊伯帶內(nèi)的小行星，英文名為Ultima Thule，中文譯名為“天涯海角”。通過(guò)這個(gè)有深意的名字也可以看出它是現(xiàn)代空間探測(cè)史上最遙遠(yuǎn)的天體。2019年1月1日，“新視野號(hào)”在約3500公里處飛掠“天涯海角”，并拍攝了這顆奇特小行星的照片（如圖）。如果一切順利，后續(xù)“新視野號(hào)”還將再飛掠1到2個(gè)柯伊伯帶天體。

更遙遠(yuǎn)的地方

截至2019年底，共有5個(gè)人造探測(cè)器向著太陽(yáng)系以外更遙遠(yuǎn)的地方飛行著，它們分別是：“先驅(qū)者10號(hào)”“先驅(qū)者11號(hào)”“旅行者2號(hào)”“旅行者1號(hào)”和“新視野號(hào)”。其中距離我們最遠(yuǎn)的是“旅行者1號(hào)”，約221.4億公里，我們現(xiàn)在還可以收到來(lái)自它的信號(hào)，不過(guò)由于距離遙遠(yuǎn)，即使是光速也會(huì)有20.5個(gè)小時(shí)的延遲。5個(gè)探測(cè)器中先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)已經(jīng)沒(méi)有了聯(lián)系，預(yù)計(jì)到2025年前后也會(huì)失去旅行者1號(hào)和2號(hào)的消息，“新視野號(hào)”如果順利，未來(lái)20年內(nèi)還可以和我們繼續(xù)聯(lián)系。

雖然目前我們不會(huì)知道遙遠(yuǎn)未來(lái)的更多信息，但幾個(gè)探測(cè)器攜帶著有關(guān)于地球及人類(lèi)的信息，數(shù)十萬(wàn)年后它們或許被送到另外一顆恒星。雖然這是一段極其漫長(zhǎng)而又孤獨(dú)的旅途，但這又關(guān)乎人類(lèi)文明的未來(lái)，這將是我們開(kāi)啟太空文明的第一步。（全文完）