【原创文章】40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(下)

作者说

在SpaceX的马斯克雄心勃勃要在有生之年去火星的时候,又有人提出土卫六才是最合适的人类移居星球,我们究竟对太阳系了解多少?事实上40年前,就已经有一型探测器勇敢无畏的迈出了这一步!(本期为完结篇,3290字,阅读时间7-10分钟)

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40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(上)

40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(中)

(二)旅行者号有惊无险的小插曲

旅行者1号发射的时候火箭二级由于燃料混合比出错仅仅工作了3分钟(180秒),而原定是205秒的,后来是靠半人马座上面级拉回来的。

旅行者2号的故事更多。

  1. 备用钥匙起作用:旅行者2号向天王星飞行的八年半行程不是没有问题的。由于地面的工作人员忘记传送一个重要的启动代码到旅行者2号,使飞行器关闭了船上的高增益天线,幸好地面的工作人员最终成功与船上的低增益天线取得联络,并重新启动船上的高增益天线。

  2. 自动档切换手动档:飞行初期,飞船的一个无线电接收机出了问题, 彻底失效后备份无线电接收机又失去了自动频率控制。但是,通过从地球发送一些频率精心控制的讯号, 与飞船的联系总算维持了下来。

  3. 积劳成疾:掠过土星后,飞船上的拍摄平台有点卡住了,使前往天王星和海王星的任务产生变数。幸好,地面的工作人员最终把问题解决,那是因为过度使用而令润滑油暂时耗尽。最终飞船接到继续前进的指令,前往天王星。

(三)木星、土星、海王星、天王星一网打尽

1、木星

1979年2月25日,旅行者1号发回了大家期待已久的木星的大红斑。它是一个在木星赤道以南22°存在了很久的巨大反气旋风暴,自1830年开始,已经被持续观测了187年。但这次人类终于看到了高清版!

第一位看见大红斑的人一般被认为是罗伯特•虎克(主页君注:又译罗伯特•胡克,嗯,没错,就是胡克定律的那位),他在1664年描述木星上的这个斑点;然而,虎克所描述的斑点是在不同的区带上(北赤道区,但目前的位置在南赤道带)。较令人信服的是乔凡尼•卡西尼在次年描述的一个永久的斑点,卡西尼从1665年至1713年,持续观测在可见光波段的大红斑,不过直到旅行者号之前,这些红斑一直都是看的模模糊糊。

2、 土星

土星环是太阳系行星的行星环中最突出与明显的一个, 虽然环的反射能够增加土星的视星等(亮度),但从地球仅凭肉眼还是看不见的;在1610年,当望远镜第一次指向天空之际,伽利略成为观察土星环的第一个人,但他还未能清楚的看出环的本质;在1655年,惠更斯成为第一个描述环是环绕土星的盘状物的天文学家。但土星光环实质直到两艘旅行者飞行器的掠过后才被真正揭示——环实际上是由数以万计稀薄的小环和空隙构成, 环中的颗粒主要成分都是水冰,还有一些尘埃和其它的化学物质,轨道成丛集的绕着土星运转。

土星迷离的光环,直到两艘旅行者飞行器飞过才发现环实际上是由数以万计稀薄的小环和空隙构成的复杂结构体。

旅行者2号所拍摄的土卫二:土星的月亮(ENCELADUS)。

由于它比较靠近明亮得多的土星及其光环,从地球上很难观测到这颗卫星,直到旅行者号计划实施后,对土卫二的观测才得到显著改善,参与旅行者计划的科学家认为土星的E环是由土卫二地表所喷射出的颗粒组成的。

 

3、 天王星

1986年1月17日旅行者2号拍摄的天王星照片。天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度只有49K(−224℃)。其外部的大气层具有复杂的云层结构,水在最低的云层内,而甲烷组成最高处的云层。天王星的内部则是由冰和岩石所构成。

4、 海王星

海王星是太阳系中直径第四大的行星,体积是地球的17倍,质量约是地球的14倍。但他的亮度仅为7.85等,只有在天文望远镜里才能看到它那荧荧的淡蓝色光,所以西方人用罗马神话中的海神来称呼它。在1989年旅行者2号飞越期间,曾拍摄到海王星巨大的暗斑,但后来用哈勃空间望远镜观察海王星时却发现暗斑已经消失。海王星的天气特征是风大,其风速达到超音速,大约2100 km/h,暗斑据推测是一个欧亚大陆大小的飓风系统,源于其内部热流的推动。

旅行者2号特地对海卫一(Triton)进行了深度观测,海卫一的表面温度甚至低于冥王星的表面温度(44K)。海卫一地质活动活跃,其表面非常年轻,很少有撞击坑。旅行者2号观测到了多个冰火山或正在喷发著液氮、灰尘或甲烷混合物的喷泉,这些喷泉可以达到8千米的高度。

5、外行星探测总结

旅行者号的探索, 获得了大量有关太阳系的外行星新信息。这些巨大的行星都有自已的卫星族,与太阳系一些较小的内行星—水星、金星、地球、火星完全不同:

  1. 最大的外行星—木星,旅行者号仔细探测了它的卫星、辐射带,发现木星竟有前所未见的行星环。最令人惊讶的是在木卫一上发现了火山活动。这个发现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;

  2. 旅行者号在对木星和土星的磁层测量方面取得了显着的进步,并提供了天王星和海王星的磁球的第一次测量,探测结果发现天王星居然存在磁场!旅行者2号的观测显示天王星的磁场是奇特的,一则是他不在行星的几何中心,再者他的磁场轴相对于自转轴倾斜59°。另外还发现了天王星的十颗新卫星;

  3. 这些行星的卫星,还有奇特的地质现象,比如木卫一火山活动,木卫一“Jupiter Io”(你没看错,就是这么拼写的),也称为“艾奥”(亦称“伊奥”),直径为3,642公里,是太阳系第四大卫星。名字来自众神之王宙斯主神宙斯最著名的情人之一艾奥,她在古希腊神话中的天后赫拉的神庙中担任女祭司,但宙斯诱奸了艾奥,之后为使她免于受吃醋的赫拉迫害,又把她变成了一头小母牛,后来宙斯为了解救艾奥,派赫耳墨斯将百眼巨人阿耳戈斯杀死,释放了艾奥(稍微有点偏题)。艾奥有400座活火山,是太阳系中地质活动最活跃的天体

旅行者发回的信息让科学家们研究了许多年,他的意义在于给我们提供的外太阳能系统的大量新知识,以及对其产生的进一步探索的兴趣,引发了后续“伽利略”探测器对木星、“卡西尼”探测器对土星探测任务。只有通过这些探索,我们对太阳系才会有更清楚的了解,比如最近有人提出最适宜人类移居的可能是土卫六……

 

(四)最后一次拍摄,旅行者1号拍下太阳系唯一一张全家福

在旅行者1号1980年飞越土星之后,NASA随即关闭了照相机节省电能。但在1990年2月14日,在他飞近太阳系边缘的时候,NASA重启了照相机并回头给太阳系拍摄了一张全家福,包括太阳、金星、地球、木星、土星和天王星。这是旅行者1号拍摄的最后一张照片,也是太阳系各行星唯一一张全家福。

(五)继续前行–兵分两路,勇往直前

旅行者1号在1979年经过木星系统,1980年经过土星系统,第一个提供了木星、土星以及其卫星详细照片的探测器,尤其值得一提的是他探测到土星环的复杂结构,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,NASA的控制人员最终决定了让旅行者1号驶近土卫六以进行研究,并随之终止了它继续探访其余两颗行星。结果造访天王星和海王星的任务只得交予旅行者2号。

这次靠近土卫六的决定使旅行者1号受到了额外的引力影响,最终使飞行器离开了黄道,终止了它的探索行星任务。在1980年11月20日完成了主要任务之后,NASA安排旅行者1号在离开土星后进行星际探索任务,使用飞船上的等离子探测仪验证日球层顶的存在。天文学家在2010年12月13日证实旅行者1号正式通过太阳风的尽头,2013年9月12日,美国宇航局官方证实旅行者1号已经飞出了太阳系,正式成为离地球最远的人造飞行器,也是第一个进入星际空间的人造物体。

不过旅行者号有没有飞出太阳系也存在争议,关键要看怎么定义太阳系的彊域了。确切的说法是,旅行者1号已经飞出了太阳风的势力范围,进入了星际介质,但仍然留在太阳引力的势力范围之内,还要停留至少好几万年…

截至2017年6月为止,旅行者1号距离太阳约为139天文单位,离地球约208亿公里,收到旅行者1号的无线电信号需要等待17小时。旅行者1号并没有朝向任何特定的星座前进,但是在约4万年后它会以1.6光年的距离经过蛇夫座的AC+79 3888恒星

旅行者2号的飞行轨迹虽然较慢,但成为了第一艘造访木星、土星、天王星和海王星的航天器,完成了借这个176年一遇的行星几何排阵而造访四颗行星的机会。在旅行者2号的探访行星任务完成之后,和他哥哥一样,他继续前行。

图中可以清晰看到旅行者一号飞出黄道面的过程

补充说明:为了造访海卫一(Triton),旅行者2号的路线弯曲了45度,速度下降了2公里/秒,所以我们看到89年8月25日之后旅行者2走了奇怪的拐角路线。

 

后记:写这期专刊了却我的一个心愿

在我还是一个小学生的时候,曾看过一本小人书《星际旅行》,对书中的旅行者号印象深刻。科幻故事里面这艘旅行者飞行器演化为生命形式,按照程序飞回地球并毁灭一切阻拦的星体,直到科学家用原始的二进制代码重新发出指令才终止了一场灾难。这本小人书改编至电影《 Star Trek: The Motion Picture (1979) 》,为《星际迷航》系列电影第一部。

后来才发现这本小人书改变了我的一生。

感谢禹天福老师提供的肼推进剂资料,感谢Steed、跆拳道大灰狼、沧海逸鲸给予的指导。

我,一个劳动人民( 新浪微博ID 超级LOVEOVERGOLD ),原创作品,转载请注明出处。

(全文完)

致敬仍在飞向无人深空的“旅行者”!宇宙真的太浩渺了!


 

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