旅行者带来太阳系全家福

2018-06-09刘声远刘安立

大自然探索 2018年6期

刘声远刘安立

1990年2月14日，“旅行者1号”探测器（以下简称“旅行者1号”）搭载的相机在沉寂了10年后被最后一次开启。随后，在远离地球59.5亿千米的地方，“旅行者1号”拍摄了60幅照片。运用这些照片，美国宇航局喷气动力实验室（位于美国加州）的科学家们创制出了迄今为止在距离地球最远处拍摄的太阳系全家福。这张全家图的背景很黑暗，背景中的地球一点也不像“阿波罗号”登月宇航员在月球上所见的发光蓝宝石一般的模样，而只是一个暗淡的蓝色小斑点，或者说只有一粒沙子那么大。而这个还不到1像素的毫不起眼的小点，竟然就是人类的家园。

1977年夏季和初秋，“旅行者2号”和“旅行者1号”相继离开地球。当时的美国总统是卡特，当时的大歌星多娜·萨默在咏唱爱情，一部鲜为人知的电影——《星球大战》竟然横扫票房，冥王星依然被认作是一颗大行星，而在其他恒星周围也有行星的观点仍属于一种纯理论。

“旅行者号”探测器模型。

两艘“旅行者号”完成了对木星、土星、天王星和海王星的造访，并且由此改变了我们对太阳系的认识。在一系列的飞近探测中，它们向我们证明：木星的伽利略卫星（均由伽利略率先发现）根本不是像我们的月球那样沉寂、没有空气，而是各有特点，各有奥秘。两艘“旅行者号”还显示，土星环并非像科学家以往所想的那样均衡，而是相當复杂，变化多端，其中有不少辐条结构和看似编织的结构。两艘“旅行者号”还让我们首次得以一瞥海蓝色的天王星和钴蓝色的海王星的真容。而在这之前用望远镜从地面看去，这两颗外太阳系行星不过是两个模糊、难辨的斑点。两艘“旅行者号”拍摄了52个天体的照片，其中23颗卫星是首次发现的。就算到了现在，把内太阳系远远抛在后面的两艘“旅行者号”，在向星际空间（恒星之间的“空旷”地带）推进的过程中，仍然继续在向地球传回数据。

淡蓝斑——地球

图中圆圈标识了“旅行者1号”所拍太阳系全家福中的淡蓝色斑点——地球。美国著名天文学家卡尔·萨根对这幅照片评论说：“那就是地球啊！那就是我们的家园！每一个你所爱的人，每一个你认识的人，每一个你听说过的人，每一个曾经存在过的人和依然存在的人，都在那里呀！”

弹弓效应

两位实习生的贡献，让有关借助引力实现太空飞行的理念终于得以实现。

时间回溯到1961年5月，时任美国总统肯尼迪在美国国会发表“登陆月球”演讲，号召国家在1970年之前送宇航员登月。在这次演讲中，他还谈到要研发核动力火箭，从而能在某一天完成更雄心勃勃的任务——“或许是前往太阳系的边缘”。

当时，要想把飞行器送到如此远的地方被认为是连想都不敢想的事。使用常规化学火箭，飞行器要飞30年才能到达海王星，这超过当时任何飞行器的寿命。那时候流行的观点是，除非研发出某种形式的“高能”推进，否则前往外太阳系的任务就行不通。而当时喷气动力实验室的两位实习生——米诺维奇和弗兰多，打破了人们的这一悲观。

1962年，米诺维奇破解了传统机械学中的一个谜题：三体问题。三体问题描述的是两个天体的引力会影响第三个天体的轨迹。典型情况是，前两个天体是太阳和一颗行星，第三个天体是一颗卫星、彗星或小行星。一个大天体的引力能改变一个小天体的轨迹这个理念并不算新，天文学家多年来一直在目睹彗星轨道一次又一次被木星掰弯。问题在于：怎样精确预测第三个天体的轨迹将被怎样改变？

对借助引力理念贡献卓著的科学家米诺维奇。

米诺维奇不仅解决了这个问题，而且证明了这个效应可被应用于：只需要从地球发射时所需的燃料，而无需更多的燃料，就能让一艘飞行器穿越整个太阳系。为此，这艘飞行器只需在足够接近一颗行星的地方经过该行星，而且与该行星同方向环绕太阳，就能“盗取”这颗行星的一些动量。飞行器将以更快的速度被弹射到一个新方向，而行星本身的惯性几乎不受任何影响。由此，这一长期以来有关借助引力实现太空飞行（即引力援助）的理念终于得以实现。

时间很快就到了1965年。弗兰多注意到，在20世纪70年代末和80年代初，木星、土星、天王星和海王星将全部位于太阳系的同一侧，这种罕见的排列大约每176年才发生一次。在此期间，一艘飞行器借助引力就可以造访所有这四颗行星，并且飞抵海王星只需9年时间。在弗兰多公布自己的这些发现之后第二天，喷气动力实验室就发布新闻公报说，将执行前往外行星（外太阳系行星）的任务。“伟大旅程”理念由此诞生。

喷气动力实验室为此设计的是4艘飞船，外加轨道器和大气层探测器，总投资额高达9亿美元。美国国会认为这个投资过大，“伟大旅程”因此被取消。而“旅行者号”从该计划的“灰烬”中诞生了，这个缩减版的外太阳系探测任务只限于木星和土星，但美国宇航局的科学家们从未放弃过“伟大旅程”的设想。当时，科学家从1万条轨道中选取了两条：“旅行者1号”将经过木星、土星和最大的土卫泰坦，而“旅行者2号”除了造访木星和土星外，还将飞往天王星和海王星。两艘“旅行者号”的建造都考虑到了它们的遥远路途和长任务期，所以电池寿命必须保证几十年都还有充足的燃料以保持“旅行者号”的天线对准地球。此外，这也是首次程控飞行器能在太空自行飞行。

直到“旅行者号”发射时，天王星和海王星都被考虑在探测目标之外。直到1981年“旅行者号”与土星最后一次相遇，然后又获得一系列重要发现和大量探测数据后，继续探测天王星和海王星的延伸任务期才终于获准。至此，喷气动力实验室当初的计划才得以实现。

两艘“旅行者号”的飞行轨迹示意图。

崭新世界

两艘“旅行者号”的多次飞近探测，多次刷新科学家对太阳系天体的认识。

“旅行者1号”1979年3月到达距离木星最近处，“旅行者2号”的这一时间是在1979年7月。它们都因此而成为改写教科书内容的先例，而这样的改写在它们后来的每一次飞近探测中不断重复。

“旅行者号”带给科学家的最大惊奇之一是木卫依娥。它并非像科学家以为的那样灰暗、光秃秃。事实上，它的表面橘色、黄色和蓝白色交织，这是被火山爆发和熔岩流刻蚀的结果。这也是首次观测到地球之外的火山活动。“旅行者号”还首次发现木星也有环，但木星环显然没有土星环壮观。木星环很薄，而且环中多尘埃。“旅行者号”也首次近观木星大红斑，发现它是一个特大的反气旋风暴系统，大得足以吞下3个地球。通过这一点，以及通过“旅行者号”每一次与木星的相遇，科学家得以修正对木星大小、木星日长短、木星磁层和木星内部组成的估计。

“旅行者1号”拍摄的木卫依娥照片。

土星环构成示意图。

在土星附近，“旅行者号”获得的视觉信息表明，哪怕是从现代地面望远镜看去都是坚固、完整的土星环，实际上却是由直径小于1厘米到超过10米的水冰块组成的。更惊人的是土星环的复杂性。土星环中的每一条单环——A环、B环和C环，其实分别都是由数十条小环构成的。A环和B环之间的孔隙——“卡西尼分界线”其实并非空空如也，而是散布着尘埃和岩石块。“旅行者号”还发现了另外两条土星环，以及位于较外侧的土星环——F环两侧的“牧羊卫星”普罗米修斯和潘多拉。牧羊衛星是指位于土星环平面内、对土星环及其形态进行牵制的天体。几年后，科学家又从“旅行者2号”拍摄的图片上辨识出第三颗牧羊卫星——潘。

但“旅行者号”任务最让科学家兴奋的是，他们由此看见了看起来毫无特色的橘色土卫——泰坦。泰坦是太阳系中已知唯一拥有实质性大气层的卫星。正因为它的大气层太浓密，所以“旅行者1号”没能看到它的表面。但“旅行者1号”依然确定了泰坦大气层不是主要由水组成，而是主要由甲烷和其他有机化合物构成。这衍生出了一些有关泰坦与早期地球相似的理论。“旅行者1号”进行的实验发现，泰坦并非如科学家长期认为的那样是太阳系里的最大卫星：泰坦的庞大大气层让它看上去比真实大小大得多。

到了土星后，两艘“旅行者号”就分道扬镳了。在“旅行者1号”猛冲而离开行星平面之时，“旅行者2号”加速飞向天王星，并且在1986年1月对天王星进行了飞近探测。“旅行者2号”发现，天王星看起来比较平静，缺乏在土星和木星上常见的风暴和纬度条带。天王星的内部也独具特点：主要是水冰、甲烷和氨。这让科学家把天王星归于一个新的类别：冰巨星。“旅行者2号”拍摄的天王星环有11条，比科学家预计的多两条。但最让科学家困惑的是天王星的卫星米兰达。在米兰达的表面新旧部分交错，有冰崖、峡谷和锯齿地貌，看上去，就好像米兰达一直在被拉开又压回去。这从它形成至今似乎发生过多次。

“旅行者1号”拍摄的土卫泰坦照片。

“旅行者2号”拍摄的海王星照片。

“旅行者2号”拍摄的天王星照片。

“旅行者2号”拍摄的海卫特里同照片。

“旅行者2号”还揭示，海王星也是一颗冰巨星，但它不如天王星平静。“旅行者2号”在1989年8月对海王星进行了飞近探测，发现海王星上存在一系列风暴，其中一个地球大小的反气旋后来被称为“大黑斑”。此外，海王星上还存在太阳系中最狂暴的风。这让“旅行者号”任务团队的科学家大吃一惊：海王星距离太阳那么远，温度那么低，大气层却为什么如此活跃？

好像要给自己的行星系统探索之旅打上一个完美的休止符，两艘“旅行者号”造访的最后一颗卫星——海卫特里同非常激动人心，这一点也不亚于木卫依娥。冰冻的特里同被发现有季节性冰盖，还有活跃的喷泉向稀薄的大气层喷射氮。最让科学家兴奋不已的是，特里同环绕海王星的方向与其他海卫都相反，这表明特里同有可能来自于太阳系外围的含冰天体群——柯伊伯带，但它后来被捕捉到海王星轨道中。

进入“虚空”

“旅行者1号”是进入星际空间的第一艘人造探测器，但它并未飞出太阳系。

“旅行者1号”1990年拍摄的太阳系全家福，标志着“伟大旅程”的结束和“旅行者号”星际任务的开始。在新任务阶段，“旅行者号”要探索的是目标是太阳在太空中的影响力的边界——一个被称为“日光层”的巨大泡泡。

2014年，“旅行者1号”到达边界激波。在这里，从太阳发出的粒子流——太阳风开始安静下来。但是直到2012年，“旅行者1号”才探测到高能粒子的改变，由此证实自己已经穿越了日光层，进入星际空间。这是迄今为止进入星际空间的第一艘人造探测器。“旅行者2号”预计将在未来4年里也进入星际空间。然而，我们依然不能说“旅行者1号”已经离开太阳系，还要等“旅行者1号”穿越奥尔特云（假想中由冰质天体组成、包裹太阳系的壳）。根据不同的估计，这一时间可能需要4万年。

到那时，两艘“旅行者号”都会沉寂。就算在今天，它们也算是很老了。它们搭载的一系列仪器已经失灵，还有多部仪器被停用以节省电量。预计“旅行者1号”将一直传回地球数据至2025年，但那之后，随着两艘“旅行者号”的微弱信号最终消失，它们将在星球之间静静飘浮，驶往我们无法预测的目的地。

“旅行者号”探测日鞘（想象图）

给外星人的信息

在两艘“旅行者号”的底部，都安装着直径近40厘米的镀金铜盘，即所谓的“金唱片”。它们实际上就是时间到1979年截止的地球时间囊，其中包括一些图片、音乐和图表，是给有可能遇到“旅行者号”的外星人的信息。金唱片包含的内容主要是对人类生活和地球在宇宙中的地位的简介。在它们包含的116幅（本页显示了其中5幅）图片中，有对人体解剖结构、动植物、风景和日常生活场景的描绘。金唱片上还有55种语言的问候语、一些“地球声音”和90分钟的音乐，这些音乐中包括贝多芬、莫扎特和巴赫的作品，还有美国印第安民歌、秘鲁婚礼音乐和通俗音乐。金唱片上还有“旅行者号”任务团队中一位成员的脑波图。科学家希望，潜在的外星人能够解读这幅图像。令人遗憾的是，“旅行者号”显然至今也没有遇见任何外星人。