旅行者帶來太陽系全家福

劉聲遠(yuǎn) 劉安立

1990年2月14日，“旅行者1號(hào)”探測器（以下簡稱“旅行者1號(hào)”）搭載的相機(jī)在沉寂了10年后被最后一次開啟。隨后，在遠(yuǎn)離地球59.5億千米的地方，“旅行者1號(hào)”拍攝了60幅照片。運(yùn)用這些照片，美國宇航局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（位于美國加州）的科學(xué)家們創(chuàng)制出了迄今為止在距離地球最遠(yuǎn)處拍攝的太陽系全家福。這張全家圖的背景很黑暗，背景中的地球一點(diǎn)也不像“阿波羅號(hào)”登月宇航員在月球上所見的發(fā)光藍(lán)寶石一般的模樣，而只是一個(gè)暗淡的藍(lán)色小斑點(diǎn)，或者說只有一粒沙子那么大。而這個(gè)還不到1像素的毫不起眼的小點(diǎn)，竟然就是人類的家園。

1977年夏季和初秋，“旅行者2號(hào)”和“旅行者1號(hào)”相繼離開地球。當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)是卡特，當(dāng)時(shí)的大歌星多娜·薩默在詠唱愛情，一部鮮為人知的電影——《星球大戰(zhàn)》竟然橫掃票房，冥王星依然被認(rèn)作是一顆大行星，而在其他恒星周圍也有行星的觀點(diǎn)仍屬于一種純理論。

“旅行者號(hào)”探測器模型。

兩艘“旅行者號(hào)”完成了對(duì)木星、土星、天王星和海王星的造訪，并且由此改變了我們對(duì)太陽系的認(rèn)識(shí)。在一系列的飛近探測中，它們向我們證明：木星的伽利略衛(wèi)星（均由伽利略率先發(fā)現(xiàn)）根本不是像我們的月球那樣沉寂、沒有空氣，而是各有特點(diǎn)，各有奧秘。兩艘“旅行者號(hào)”還顯示，土星環(huán)并非像科學(xué)家以往所想的那樣均衡，而是相當(dāng)復(fù)雜，變化多端，其中有不少輻條結(jié)構(gòu)和看似編織的結(jié)構(gòu)。兩艘“旅行者號(hào)”還讓我們首次得以一瞥海藍(lán)色的天王星和鈷藍(lán)色的海王星的真容。而在這之前用望遠(yuǎn)鏡從地面看去，這兩顆外太陽系行星不過是兩個(gè)模糊、難辨的斑點(diǎn)。兩艘“旅行者號(hào)”拍攝了52個(gè)天體的照片，其中23顆衛(wèi)星是首次發(fā)現(xiàn)的。就算到了現(xiàn)在，把內(nèi)太陽系遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面的兩艘“旅行者號(hào)”，在向星際空間（恒星之間的“空曠”地帶）推進(jìn)的過程中，仍然繼續(xù)在向地球傳回?cái)?shù)據(jù)。

淡藍(lán)斑——地球

圖中圓圈標(biāo)識(shí)了“旅行者1號(hào)”所拍太陽系全家福中的淡藍(lán)色斑點(diǎn)——地球。美國著名天文學(xué)家卡爾·薩根對(duì)這幅照片評(píng)論說：“那就是地球啊！那就是我們的家園！每一個(gè)你所愛的人，每一個(gè)你認(rèn)識(shí)的人，每一個(gè)你聽說過的人，每一個(gè)曾經(jīng)存在過的人和依然存在的人，都在那里呀！”

彈弓效應(yīng)

兩位實(shí)習(xí)生的貢獻(xiàn)，讓有關(guān)借助引力實(shí)現(xiàn)太空飛行的理念終于得以實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間回溯到1961年5月，時(shí)任美國總統(tǒng)肯尼迪在美國國會(huì)發(fā)表“登陸月球”演講，號(hào)召國家在1970年之前送宇航員登月。在這次演講中，他還談到要研發(fā)核動(dòng)力火箭，從而能在某一天完成更雄心勃勃的任務(wù)——“或許是前往太陽系的邊緣”。

當(dāng)時(shí)，要想把飛行器送到如此遠(yuǎn)的地方被認(rèn)為是連想都不敢想的事。使用常規(guī)化學(xué)火箭，飛行器要飛30年才能到達(dá)海王星，這超過當(dāng)時(shí)任何飛行器的壽命。那時(shí)候流行的觀點(diǎn)是，除非研發(fā)出某種形式的“高能”推進(jìn)，否則前往外太陽系的任務(wù)就行不通。而當(dāng)時(shí)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的兩位實(shí)習(xí)生——米諾維奇和弗蘭多，打破了人們的這一悲觀。

1962年，米諾維奇破解了傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)中的一個(gè)謎題：三體問題。三體問題描述的是兩個(gè)天體的引力會(huì)影響第三個(gè)天體的軌跡。典型情況是，前兩個(gè)天體是太陽和一顆行星，第三個(gè)天體是一顆衛(wèi)星、彗星或小行星。一個(gè)大天體的引力能改變一個(gè)小天體的軌跡這個(gè)理念并不算新，天文學(xué)家多年來一直在目睹彗星軌道一次又一次被木星掰彎。問題在于：怎樣精確預(yù)測第三個(gè)天體的軌跡將被怎樣改變？

對(duì)借助引力理念貢獻(xiàn)卓著的科學(xué)家米諾維奇。

米諾維奇不僅解決了這個(gè)問題，而且證明了這個(gè)效應(yīng)可被應(yīng)用于：只需要從地球發(fā)射時(shí)所需的燃料，而無需更多的燃料，就能讓一艘飛行器穿越整個(gè)太陽系。為此，這艘飛行器只需在足夠接近一顆行星的地方經(jīng)過該行星，而且與該行星同方向環(huán)繞太陽，就能“盜取”這顆行星的一些動(dòng)量。飛行器將以更快的速度被彈射到一個(gè)新方向，而行星本身的慣性幾乎不受任何影響。由此，這一長期以來有關(guān)借助引力實(shí)現(xiàn)太空飛行（即引力援助）的理念終于得以實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間很快就到了1965年。弗蘭多注意到，在20世紀(jì)70年代末和80年代初，木星、土星、天王星和海王星將全部位于太陽系的同一側(cè)，這種罕見的排列大約每176年才發(fā)生一次。在此期間，一艘飛行器借助引力就可以造訪所有這四顆行星，并且飛抵海王星只需9年時(shí)間。在弗蘭多公布自己的這些發(fā)現(xiàn)之后第二天，噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室就發(fā)布新聞公報(bào)說，將執(zhí)行前往外行星（外太陽系行星）的任務(wù)。“偉大旅程”理念由此誕生。

噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室為此設(shè)計(jì)的是4艘飛船，外加軌道器和大氣層探測器，總投資額高達(dá)9億美元。美國國會(huì)認(rèn)為這個(gè)投資過大，“偉大旅程”因此被取消。而“旅行者號(hào)”從該計(jì)劃的“灰燼”中誕生了，這個(gè)縮減版的外太陽系探測任務(wù)只限于木星和土星，但美國宇航局的科學(xué)家們從未放棄過“偉大旅程”的設(shè)想。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家從1萬條軌道中選取了兩條：“旅行者1號(hào)”將經(jīng)過木星、土星和最大的土衛(wèi)泰坦，而“旅行者2號(hào)”除了造訪木星和土星外，還將飛往天王星和海王星。兩艘“旅行者號(hào)”的建造都考慮到了它們的遙遠(yuǎn)路途和長任務(wù)期，所以電池壽命必須保證幾十年都還有充足的燃料以保持“旅行者號(hào)”的天線對(duì)準(zhǔn)地球。此外，這也是首次程控飛行器能在太空自行飛行。

直到“旅行者號(hào)”發(fā)射時(shí)，天王星和海王星都被考慮在探測目標(biāo)之外。直到1981年“旅行者號(hào)”與土星最后一次相遇，然后又獲得一系列重要發(fā)現(xiàn)和大量探測數(shù)據(jù)后，繼續(xù)探測天王星和海王星的延伸任務(wù)期才終于獲準(zhǔn)。至此，噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室當(dāng)初的計(jì)劃才得以實(shí)現(xiàn)。

兩艘“旅行者號(hào)”的飛行軌跡示意圖。

嶄新世界

兩艘“旅行者號(hào)”的多次飛近探測，多次刷新科學(xué)家對(duì)太陽系天體的認(rèn)識(shí)。

“旅行者1號(hào)”1979年3月到達(dá)距離木星最近處，“旅行者2號(hào)”的這一時(shí)間是在1979年7月。它們都因此而成為改寫教科書內(nèi)容的先例，而這樣的改寫在它們后來的每一次飛近探測中不斷重復(fù)。

“旅行者號(hào)”帶給科學(xué)家的最大驚奇之一是木衛(wèi)依娥。它并非像科學(xué)家以為的那樣灰暗、光禿禿。事實(shí)上，它的表面橘色、黃色和藍(lán)白色交織，這是被火山爆發(fā)和熔巖流刻蝕的結(jié)果。這也是首次觀測到地球之外的火山活動(dòng)。“旅行者號(hào)”還首次發(fā)現(xiàn)木星也有環(huán)，但木星環(huán)顯然沒有土星環(huán)壯觀。木星環(huán)很薄，而且環(huán)中多塵埃。“旅行者號(hào)”也首次近觀木星大紅斑，發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)特大的反氣旋風(fēng)暴系統(tǒng)，大得足以吞下3個(gè)地球。通過這一點(diǎn)，以及通過“旅行者號(hào)”每一次與木星的相遇，科學(xué)家得以修正對(duì)木星大小、木星日長短、木星磁層和木星內(nèi)部組成的估計(jì)。

“旅行者1號(hào)”拍攝的木衛(wèi)依娥照片。

土星環(huán)構(gòu)成示意圖。

在土星附近，“旅行者號(hào)”獲得的視覺信息表明，哪怕是從現(xiàn)代地面望遠(yuǎn)鏡看去都是堅(jiān)固、完整的土星環(huán)，實(shí)際上卻是由直徑小于1厘米到超過10米的水冰塊組成的。更驚人的是土星環(huán)的復(fù)雜性。土星環(huán)中的每一條單環(huán)——A環(huán)、B環(huán)和C環(huán)，其實(shí)分別都是由數(shù)十條小環(huán)構(gòu)成的。A環(huán)和B環(huán)之間的孔隙——“卡西尼分界線”其實(shí)并非空空如也，而是散布著塵埃和巖石塊。“旅行者號(hào)”還發(fā)現(xiàn)了另外兩條土星環(huán)，以及位于較外側(cè)的土星環(huán)——F環(huán)兩側(cè)的“牧羊衛(wèi)星”普羅米修斯和潘多拉。牧羊衛(wèi)星是指位于土星環(huán)平面內(nèi)、對(duì)土星環(huán)及其形態(tài)進(jìn)行牽制的天體。幾年后，科學(xué)家又從“旅行者2號(hào)”拍攝的圖片上辨識(shí)出第三顆牧羊衛(wèi)星——潘。

但“旅行者號(hào)”任務(wù)最讓科學(xué)家興奮的是，他們由此看見了看起來毫無特色的橘色土衛(wèi)——泰坦。泰坦是太陽系中已知唯一擁有實(shí)質(zhì)性大氣層的衛(wèi)星。正因?yàn)樗拇髿鈱犹珴饷埽浴奥眯姓?號(hào)”沒能看到它的表面。但“旅行者1號(hào)”依然確定了泰坦大氣層不是主要由水組成，而是主要由甲烷和其他有機(jī)化合物構(gòu)成。這衍生出了一些有關(guān)泰坦與早期地球相似的理論。“旅行者1號(hào)”進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泰坦并非如科學(xué)家長期認(rèn)為的那樣是太陽系里的最大衛(wèi)星：泰坦的龐大大氣層讓它看上去比真實(shí)大小大得多。

到了土星后，兩艘“旅行者號(hào)”就分道揚(yáng)鑣了。在“旅行者1號(hào)”猛沖而離開行星平面之時(shí)，“旅行者2號(hào)”加速飛向天王星，并且在1986年1月對(duì)天王星進(jìn)行了飛近探測。“旅行者2號(hào)”發(fā)現(xiàn)，天王星看起來比較平靜，缺乏在土星和木星上常見的風(fēng)暴和緯度條帶。天王星的內(nèi)部也獨(dú)具特點(diǎn)：主要是水冰、甲烷和氨。這讓科學(xué)家把天王星歸于一個(gè)新的類別：冰巨星。“旅行者2號(hào)”拍攝的天王星環(huán)有11條，比科學(xué)家預(yù)計(jì)的多兩條。但最讓科學(xué)家困惑的是天王星的衛(wèi)星米蘭達(dá)。在米蘭達(dá)的表面新舊部分交錯(cuò)，有冰崖、峽谷和鋸齒地貌，看上去，就好像米蘭達(dá)一直在被拉開又壓回去。這從它形成至今似乎發(fā)生過多次。

“旅行者1號(hào)”拍攝的土衛(wèi)泰坦照片。

“旅行者2號(hào)”拍攝的海王星照片。

“旅行者2號(hào)”拍攝的天王星照片。

“旅行者2號(hào)”拍攝的海衛(wèi)特里同照片。

“旅行者2號(hào)”還揭示，海王星也是一顆冰巨星，但它不如天王星平靜。“旅行者2號(hào)”在1989年8月對(duì)海王星進(jìn)行了飛近探測，發(fā)現(xiàn)海王星上存在一系列風(fēng)暴，其中一個(gè)地球大小的反氣旋后來被稱為“大黑斑”。此外，海王星上還存在太陽系中最狂暴的風(fēng)。這讓“旅行者號(hào)”任務(wù)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家大吃一驚：海王星距離太陽那么遠(yuǎn)，溫度那么低，大氣層卻為什么如此活躍？

好像要給自己的行星系統(tǒng)探索之旅打上一個(gè)完美的休止符，兩艘“旅行者號(hào)”造訪的最后一顆衛(wèi)星——海衛(wèi)特里同非常激動(dòng)人心，這一點(diǎn)也不亞于木衛(wèi)依娥。冰凍的特里同被發(fā)現(xiàn)有季節(jié)性冰蓋，還有活躍的噴泉向稀薄的大氣層噴射氮。最讓科學(xué)家興奮不已的是，特里同環(huán)繞海王星的方向與其他海衛(wèi)都相反，這表明特里同有可能來自于太陽系外圍的含冰天體群——柯伊伯帶，但它后來被捕捉到海王星軌道中。

進(jìn)入“虛空”

“旅行者1號(hào)”是進(jìn)入星際空間的第一艘人造探測器，但它并未飛出太陽系。

“旅行者1號(hào)”1990年拍攝的太陽系全家福，標(biāo)志著“偉大旅程”的結(jié)束和“旅行者號(hào)”星際任務(wù)的開始。在新任務(wù)階段，“旅行者號(hào)”要探索的是目標(biāo)是太陽在太空中的影響力的邊界——一個(gè)被稱為“日光層”的巨大泡泡。

2014年，“旅行者1號(hào)”到達(dá)邊界激波。在這里，從太陽發(fā)出的粒子流——太陽風(fēng)開始安靜下來。但是直到2012年，“旅行者1號(hào)”才探測到高能粒子的改變，由此證實(shí)自己已經(jīng)穿越了日光層，進(jìn)入星際空間。這是迄今為止進(jìn)入星際空間的第一艘人造探測器。“旅行者2號(hào)”預(yù)計(jì)將在未來4年里也進(jìn)入星際空間。然而，我們依然不能說“旅行者1號(hào)”已經(jīng)離開太陽系，還要等“旅行者1號(hào)”穿越奧爾特云（假想中由冰質(zhì)天體組成、包裹太陽系的殼）。根據(jù)不同的估計(jì)，這一時(shí)間可能需要4萬年。

到那時(shí)，兩艘“旅行者號(hào)”都會(huì)沉寂。就算在今天，它們也算是很老了。它們搭載的一系列儀器已經(jīng)失靈，還有多部儀器被停用以節(jié)省電量。預(yù)計(jì)“旅行者1號(hào)”將一直傳回地球數(shù)據(jù)至2025年，但那之后，隨著兩艘“旅行者號(hào)”的微弱信號(hào)最終消失，它們將在星球之間靜靜飄浮，駛往我們無法預(yù)測的目的地。

“旅行者號(hào)”探測日鞘（想象圖）

給外星人的信息

在兩艘“旅行者號(hào)”的底部，都安裝著直徑近40厘米的鍍金銅盤，即所謂的“金唱片”。它們實(shí)際上就是時(shí)間到1979年截止的地球時(shí)間囊，其中包括一些圖片、音樂和圖表，是給有可能遇到“旅行者號(hào)”的外星人的信息。金唱片包含的內(nèi)容主要是對(duì)人類生活和地球在宇宙中的地位的簡介。在它們包含的116幅（本頁顯示了其中5幅）圖片中，有對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)、動(dòng)植物、風(fēng)景和日常生活場景的描繪。金唱片上還有55種語言的問候語、一些“地球聲音”和90分鐘的音樂，這些音樂中包括貝多芬、莫扎特和巴赫的作品，還有美國印第安民歌、秘魯婚禮音樂和通俗音樂。金唱片上還有“旅行者號(hào)”任務(wù)團(tuán)隊(duì)中一位成員的腦波圖。科學(xué)家希望，潛在的外星人能夠解讀這幅圖像。令人遺憾的是，“旅行者號(hào)”顯然至今也沒有遇見任何外星人。

“旅行者號(hào)”搭載的金唱片

“旅行者號(hào)”里程碑

1977年8月20日

“旅行者2號(hào)”從美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射升空。1977年9月5日，“旅行者1號(hào)”發(fā)射升空。由于采用了更快的軌道，“旅行者1號(hào)”在小行星帶中超越了“旅行者2號(hào)”。

1979年5月5日

“旅行者1號(hào)”在最近距離處經(jīng)過木星。7月9日，“旅行者2號(hào)”對(duì)木星實(shí)施飛近探測。它倆共同發(fā)現(xiàn)了更多木衛(wèi)、木星環(huán)，還揭示了木星磁層的巨大。

1980年11月11日

“旅行者1號(hào)”近距離觀測土衛(wèi)泰坦，發(fā)現(xiàn)它不如科學(xué)家預(yù)計(jì)那么大。太陽系中最大衛(wèi)星的桂冠最終被移交給了木衛(wèi)加尼美得。

1980年11月12日

“旅行者1號(hào)”飛離土星。1981年8月25日，“旅行者2號(hào)”飛離土星。它倆證實(shí)土星環(huán)既非固態(tài)也非液態(tài)，而是由水冰塊累積成的薄環(huán)。

1986年1月24日

首次相遇天王星。“旅行者2號(hào)”發(fā)現(xiàn)天王星索然無味，內(nèi)部構(gòu)成卻不尋常，這導(dǎo)致天王星被歸類為冰巨星。

1989年8月25日

“旅行者2號(hào)”成為第一艘造訪海王星的探測器。它發(fā)現(xiàn)海王星也是一顆冰巨星。它還發(fā)現(xiàn)，海王星有不完整的環(huán)，還有太陽系中最狂暴的風(fēng)。

1990年2月14日

“旅行者1號(hào)”搭載的相機(jī)最后一次回望地球，拍攝太陽系全家福。在這些圖像中，可見“暗淡藍(lán)點(diǎn)”——地球。

1998年2月17日

“旅行者1號(hào)”超越美同宇航局“先鋒11號(hào)”探測器，成為太空中距離地球最遠(yuǎn)的人造探測器。當(dāng)時(shí)，“旅行者1號(hào)”距離地球104億千米。

2012年8月25日

“旅行者1號(hào)”成為第一艘進(jìn)入星際空間的飛行器。美國宇航局只能在此13個(gè)月后才證實(shí)這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，來自太陽的一場日冕物質(zhì)拋射波及了“旅行者1號(hào)”。

①吃喝

金唱片包含的這張照片，顯示了人類怎樣吃、喝、舔食物。

②野生世界

金唱片包含的地球動(dòng)物照片中包括海豚、鷹、鱷魚、大象，以及照片中這只可愛的蟾蜍等等。

③工程奇跡

中國的長城是地球上最著名的建筑奇跡之一，金唱片上也有長城的照片。不過，從太空是看不見長城的。

④太陽光譜

為了幫助外星人識(shí)別太陽，金唱片上還有在可見光波段的太陽光譜。

⑤人類體育

金唱片上包含多幅人類體育活動(dòng)照片，其中包括跑步、登山和體操等等。