旅行者號：星際長路四十載

文/李會超

美國東部時間2018年12月10日，美國宇航局旅行者號團隊宣布：旅行者2號探測器脫離了太陽風的范圍，進入一片人類陌生的太空。

▲ 美國宇航局為“旅行者號”40周年制作的海報

在美國宇航局的噴氣動力實驗室，你也許會看到一些讓人匪夷所思的場景：一些擁有美國頂尖高校學位、掌握著最前沿航天技術的科學家和工程師們，正在絞盡腦汁地維護著兩臺上世紀70年代出廠的老爺機器。在這個4G和WIFI已經普及的時代，他們依然在頑強地使用相當于4G通信十萬分之一的帶寬與兩臺老爺機保持著聯(lián)絡，并試圖從老爺機傳回的數(shù)據(jù)中找出一些能發(fā)表在《自然（Nature）》和《科學（Science）》上的發(fā)現(xiàn)。而這兩臺老爺機之所以讓科技人員們如此傾情，只因它已經突破了太陽風所能影響的范圍，看到了人類之前從未看到的景象。

這對兄弟的名字是“旅行者1號”和“旅行者2號”，它們的故事最初開始于1967年，并永遠不會結束。

天賜良機

上世紀60年代是一個適合幻想家生存的時代。在美國和蘇聯(lián)的太空競賽推動下，許多看似夢幻的航天計劃變成了現(xiàn)實。1967年，噴氣動力實驗室的航天工程師蓋瑞·弗蘭德羅發(fā)現(xiàn)一個千載難逢的探測機遇即將在下個十年到來：土星、木星、天王星和海王星的相對位置，使得一個從地球發(fā)射的探測器能夠在各個行星附近進行連續(xù)借力飛行，探索火星軌道之外所有的太陽系大行星。

所謂借力飛行，就是人造飛行器借助天體的引力來為飛行器加速。如果把飛行器看作一位步行的旅人，那么借力飛行過程中的行星就相當于是一趟免費的公共汽車，不但能減少飛行所需的能量、降低發(fā)射難度，還能提高飛船的飛行速度。

為了抓住百年一遇的太空探測的良機，美國宇航局實施了“旅行者計劃”。這個計劃由旅行者1號、2號兩個探測器組成。探測器從地球發(fā)射后，將使用行星借力飛行的手段，沿著不同的方向飛向深空?！奥眯姓?號”的探測目標為土星、木星和木星最大的衛(wèi)星泰坦，而“旅行者2號”在完成對土星、木星的探測后，則會繼續(xù)探測天王星和海王星。完成這些任務后，兩個探測器都會飛往太陽系的邊緣。

旅行者1號和2號的任務進行得相當順利，每造訪一個天體，探測器上的高分辨率相機和科學探測儀器總能帶來視覺感官和科學發(fā)現(xiàn)上的雙重震撼。它們在木星的衛(wèi)星伊奧上第一次發(fā)現(xiàn)了地球之外的活火山活動，在木星上第一次發(fā)現(xiàn)了地球之外的閃電活動，在木星的衛(wèi)星歐羅巴上第一次發(fā)現(xiàn)了地球之外的海洋，在土星的衛(wèi)星泰坦上發(fā)現(xiàn)了與地球大氣性質極為相似的大氣層?！奥眯姓?號”是第一個也是唯一造訪天王星和海王星的探測器。在那里，它不但拍下了那兩顆氣態(tài)巨行星的美麗的外表，還發(fā)現(xiàn)了海王星上位形特殊的磁場。

▲ 旅行者號探測器和它對各個行星探測圖像的合影

1990年，當“旅行者1號”上的高分辨率相機的探測任務全部完成時，科學家們決定關閉相機以節(jié)約電能。那年的2月14日，“旅行者1號”在約60億公里外最后一次拍下了它眼中的地球。這幅后來廣為人知的照片被命名為“黯淡藍點”。通過“旅行者號”對其他行星的探測，科學家們更深刻地領會到，沒有哪個星球像地球一樣受到上天如此多的眷顧：地球處在太陽周圍的宜居帶里，可以允許液態(tài)水穩(wěn)定存在孕育生命。較強的地磁場屏蔽了太陽高能粒子的侵襲，保護了大氣層不被太陽風吹走。大氣層的密度和成分能夠有效地調節(jié)溫度，讓我們處于既不冷又不熱的環(huán)境中。適度傾斜的地軸使大部分地區(qū)有了四季的變化。地球軌道之外的大行星阻擋了不少可能撞擊地球的小天體。就像旅行者團隊中的天文學家卡爾·薩跟所說的那樣：“再看看那個光點，它就在這里。那是我們的家園，我們的一切?！?/p>

開路先鋒

400多年前，當伽利略第一次將天文望遠鏡對準天空時，就發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞土星的土星環(huán)。然而，直到兩艘旅行者號飛船飛臨土星時，天文學家們才第一次獲得了土星環(huán)的近距離高分辨率圖像。除了再次被它的美麗所折服外，天文學家們還發(fā)現(xiàn)了許多之前未曾發(fā)現(xiàn)的土星環(huán)精細結構，以及躲藏在土星環(huán)里的幾顆土星的衛(wèi)星?？此破秸耐列黔h(huán)，實際上卻是復雜多變的。

像所有成功的空間科學探測任務一樣，“旅行者號”不但帶來了新的發(fā)現(xiàn)，更啟發(fā)了新的問題，促使科學家們提出新的太空探測計劃。剛剛完成任務、墜入土星的卡西尼號探測器，就是科學家們?yōu)榱嗽凇奥眯姓咛枴卑l(fā)現(xiàn)的基礎上更深入地認識土星而提出實施的。對比“卡西尼號”和“旅行者號”的探測數(shù)據(jù)，科學家們還能獲知單獨依靠一個探測器所無法發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。例如，當旅行者1號、2號先后于1980年和1981年飛掠土星時，它們通過測量土星發(fā)出的無線電信號推測的土星自傳周期為10小時45分45秒，而“卡西尼號”在2004年測得的自轉周期卻在此基礎上增加了6分鐘。科學家們推測，造成這一現(xiàn)象的原因可能是無線電信號源在土星上的位置發(fā)生了變化，并非土星的自轉真的變慢了。除了“卡西尼號”外，“伽利略號”、朱諾號木星探測器和正在計劃中的歐羅巴快船號探測器，都是“旅行者號”計劃的啟發(fā)下提出和實施的。

▲ 旅行者2號飛船拍攝的土星圖像

為了觀測海王星的衛(wèi)星崔頓，“旅行者2號”在距離海王星北極表面5000公里的高度飛掠了海王星。這樣近距離的飛掠是比較危險的，飛船測控上的微小偏差可能會使飛船在海王星強大引力的作用下偏離正常的軌道，而“旅行者2號”此時距離地球又非常遠，在地球上精確測量飛船位置比較困難。控制信號從地球發(fā)出后，要在200多分鐘后才能被“旅行者2號”接收到?！奥眯姓?號”成功執(zhí)行了此次觀測，進而驗證了當時的深空測控技術。2008年9月，“卡西尼號”對木星的衛(wèi)星恩克拉多斯進行探測時，高度僅有49公里，幾乎是擦著恩克拉多斯的表面飛掠而過。如此精準的測控，就來自于“旅行者2號”的技術積累。

▲ “暗淡藍點” 就是地球圖片（最右側棕色帶中間的藍色小點）

在地球上，“旅行者號”也改變了一些地方的景觀。在美國的戈德斯通、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉，三座大型衛(wèi)星天線拔地而起，用以與兩個旅行者號探測器進行通信。這些天線的外觀和一般接收衛(wèi)星信號的“大鍋”差不多，但直徑卻高達70米，大概相當于4輛北京1路公交車的長度。這些天線成為了美國深空探測網的中堅力量，支撐了之后幾乎所有遠離地球的探測任務，還在伽利略探測器高增益天線失效、SOHO探測器與地面失去聯(lián)絡等危急時刻扮演了救星的角色。

星際使者

在完成太陽系中的探測后，兩個旅行者號探測器將繼續(xù)向太陽系之外飛去。盡管可能性非常微小，但“旅行者號”團隊還是為探測器與地外文明的相遇做了充足的準備。他們在每個探測器上都安裝了一個金色唱盤，作為地球和人類的名片，向捕獲“旅行者號”的地外文明展示我們這個星球的方方面面。

金唱盤可以同時存儲聲音和圖像信息。在金唱盤儲存的圖片中，有數(shù)學、物理公式和DNA結構這些體現(xiàn)我們對自然界認識水平的抽象內容；有呼嘯而起的運載火箭、進行太空行走的航天員、探測天體射電信號的阿雷西博望遠鏡這些我們技術水平的象征；有聯(lián)合國大樓、泰姬陵等人文景觀。而更多的則是我們日常生活的方方面面：超市中采購的女士，高峰期惱人的堵車，滿載而歸的漁船，教室里聽講的孩童等等。唱盤中的聲音信息，除了時任聯(lián)合國秘書長與美國總統(tǒng)對地外文明的問候外，還有地球上不同語言的問候。倘若地外文明真能解碼這個唱盤，他們聽到的中文普通話信息將是“各位都好吧？我們都很想念你們，有空請到這來玩”，他們還能聽到粵語、吳語、閩南話等中文方言。如果他們聽膩了干巴巴的語音，還能欣賞巴赫、貝多芬的古典音樂和中國二胡演奏的《高山流水》。在金唱盤中，最特殊的記錄當屬“旅行者號”團隊成員安·德魯彥的腦電波。在錄制這段腦電波時，她剛剛和團隊中的另一位成員卡爾·薩根相戀。按照計劃，德魯彥在錄制腦電波時應該努力思考地球與人類的種種歷史政治問題，但墜入愛河的陣陣心動卻始終在她心中閃現(xiàn)，最終，這段腦電波記錄下了戀愛時的美麗心情，并將這段心情永久地保留了下來，帶入了無邊的太空中。

在金唱盤表面，科學家們用宇宙通用的物理語言，標出了太陽在宇宙中的位置。氫是宇宙中存在最廣泛的元素，其原子結構也最簡單。唱盤右下方刻有氫原子發(fā)生一種名叫“自旋躍遷”的物理現(xiàn)象的圖像，將這個現(xiàn)象發(fā)生的0.704納秒的周期定義為一個基本時間單位。在唱盤左下方，標識了14顆脈沖星和太陽的相對位置圖。脈沖星是一種能夠以特定頻率向外輻射電磁波的天體，每顆脈沖星的頻率都是獨特的。如果捕獲這艘飛船的文明與人類文明的發(fā)展水平相當，他們就能通過位置圖上的二進制符號與氫原子的躍遷時間，測算出每顆脈沖星的頻率，從已經發(fā)現(xiàn)的脈沖星中將唱片上的14顆脈沖星辨認出來，進而確定太陽的位置。此外，地外文明還能借助唱片左上方和右上方的示意圖，弄清播放唱片、讀取圖像信號的方式，獲得我們想要帶給他們的全部信息。

目前，“旅行者1號”已經飛出太陽風所能影響的日球層，進入了星際介質當中，而“旅行者2號”也即將完成這一壯舉。它們以約每小時6萬公里的速度繼續(xù)向前飛行。由于探測器同位素電池的輸出功率在不斷衰減，控制人員不得不逐步關停沒有探測任務的儀器以保證探測器正常工作。據(jù)估計，到2030年，維持探測器最基本系統(tǒng)運行的電能也將耗盡，那時，它們將徹底進入靜默狀態(tài)。

從地球上看，“旅行者1號”正處在蛇夫座的方向，“旅行者2號”正處在望遠鏡座的方向。當讀者朋友們有機會在夜空中將這兩個星座辨認出來時，請不要忘記，兩個旅行者號探測器正在那里，將人類太空探索的疆界不斷向前推進，向浩瀚宇宙帶去人類文明的信息。盡管這樣的機會微乎其微，但我們還是可以暢想在許多年以后和許多光年之外，會有另外的文明發(fā)現(xiàn)了“旅行者號”，解碼了金唱盤，興奮地發(fā)現(xiàn)我們地球人類的存在，欣慰的得知他們在宇宙中并不孤單。