直击NASA：太阳系行星探索迄今60年，人类在宇宙留下了什么痕迹？

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太阳系探索60年
文 | 桢公子


从没有什么地方
像星空一般令人神往
世界的规律
▼人们常根据月相的变化制定历法，如中国的农历；下图是月全食序列。摄影师@李文博




未来的命运
▼2000多年前，人们便开始通过占星术向星空寻求未来的启示。图片来源@VCG




美好的神话
似乎都与星空有关
▼牛郎织女跨越银河鹊桥相见的传说在我国代代相传。摄影师@阿五在路上




但宇宙星河如此浩瀚
人的一生又如此短暂
探索茫茫宇宙的梦想
实在有些无力和苍白
▼由哈勃望远镜拍摄的极深空影像，其中最遥远的星系距离地球甚至超过132亿光年。图片来源@NASA&ESA




然而即便如此
凭着一丝好奇、一点执念
人类对太空的热情从未有半分退却
如今
仅对太阳系的探索
人类就已孜孜以求60余年
而未来还会有更多人为此前赴后继
甚至贡献自己的一生

I
匆匆一瞥


1957年
人类第一次将人造卫星送上太空
它长相简单而奇特
却注定成为一代传奇
▼第一颗人造卫星，史泼尼克1号，总计环绕地球440圈；下图是其模型。图片来源@NMUSAF




它也被叫作“卫星1号”
这似乎预示着
我们终有一天会踏上更遥远的征途
果不其然
第二年由苏联发射的“月球3号”
就成功飞掠月球背面
向人类展示了一张模糊的图像
▼第一张月球背面照片，巨大的陨石坑形成明显的阴影。图片来源@NASA




这也是人类有史以来第一次
看到月球的另一面
▼由于地月潮汐锁定，人类在地球上只能看到月球一半左右的面积。图片来源@NASA




到了20世纪70年代
在不断的失败和尝试后
离地球较近的火星、金星、水星
终于依次向人类展露真容
可是结果似乎令人“大失所望”
人们并未得见火星上的智慧生命
只看到一片坑坑洼洼的死寂世界
▼荒芜的火星地表，由后期航天器拍摄。图片来源@NASA




金星不是温柔的维纳斯
浓厚的二氧化碳包裹着炽热的地表
形成汹涌彭拜的钩卷云
▼1973年，人类第一次看到金星的大气活动；下图为后期的红外成像。图片来源@NASA




水星亦与水毫无关系
在仅40-45%的可见表面上
布满了陨石坑和环形山
昼夜温差超过370℃
▼由于轨道位置，“水手10号”永远只能看到水星的一面。图片来源@NASA




即便关于外星世界的美好设想破灭了
这些成果依然是人类历史的里程碑
足以令世人欢呼雀跃
然而科学家们依旧忧心忡忡
按当时的技术
就算人类使出浑身解数
到达海王星也需要整整30年
如何才能更快地到达更远的天体？
哪怕只是看上一眼
▼太阳系主要天体排列，离地球较近的火星、金星、水星较早被探测；下图距离非实际比例。图片来源@NASA，请横屏食用




世事虽无常，却总有因缘际会
科学家发现
20世纪70年代后期
离地球较远的木星、土星、天王星和海王星
将在太阳同一侧呈现罕见的排列
借由一条钩状的路径
探测器将获得额外的引力加速
可将到达海王星的时间由30年缩短至12年
更可以一次性飞掠木星外侧的所有行星
而若要等下一次机会
则需要176年
▼“旅行者1号/2号”飞行路线。资料来源@NASA，制图@郑伯容/星球研究所




这简直是千载难逢的良机
于是带着世人的期许
一众探测器纷纷告别地球
一鼓作气向更远的外星世界进发
以NASA为例
1972-1977年的五年间
就有“先驱者”10-11号、“旅行者”1-2号
4台探测器为此发射升空
▼1977年，“旅行者”1号/2号相继发射成功。图片来源@NASA




其中“旅行者2号”最为“兢兢业业”
它于1977年发射
如愿造访了木星及其外侧的所有行星
也让人类第一次看到了天王星和海王星的模样
发射升空的第二年
“旅行者2号”与木星相遇
拍下了大红斑的近照
▼木星大红斑与地球大小比较；大红斑是一个逆时针旋转的风暴系统，直径大约为3个地球。图片来源@NASA




随后又顺手给木星和木卫一留下一张合影
木星是如此庞大
照片中的木卫一仅仅如同它的一滴眼泪
▼木卫一是离木星最近的一颗卫星，体积仅为木星的六万分之一左右。图片来源@NASA




在“旅行者2号”的镜头里
上演着太阳系的“冰与火之歌”
▼“火”，木卫一上有400余座活火山，“旅行者2号”第一次拍到了木星火山喷发的实况(左侧的“蓝光”)。图片来源@NASA




▼“冰”，木卫二的表面被布满裂缝的冰壳覆盖。图片来源@NASA




还记录了一场蔚为壮观的太空“日食”
▼“旅行者2号”飞掠土星时土卫六遮住了太阳。图片来源@NASA



在太空遨游9年后
“旅行者2号”终于来到了天王星
这颗蓝绿色的明珠在黑暗中异常夺目
纯净无暇得不可思议
▼“旅行者2号”拍摄的天王星画面，由于大气中的甲烷吸收红色光谱，肉眼观察呈现蓝绿色。图片来源@NASA




3年后
“旅行者2号”又传来了海王星的照片
镜头中的海王星比天王星更加湛蓝
太阳系最剧烈的风暴在这里呼啸
风速高达2100km/h
是地球上最大风速的10余倍
加上表面运动的云团
如同“风卷残云”
▼1989年旅行者2号拍摄的海王星照片，白色的云团附近有一明显的大黑斑，和木星的大红斑类似，是一个反气旋风暴。图片来源@NASA




也许是为了纪念这一面之缘
在“旅行者2号”告别海王星时
收到了这位新朋友送别它的一个微笑
▼“旅行者2号”离开海王星时拍摄的“微笑”，画面中的小星是海卫一。图片来源@NASA




曾几何时
太阳系还有第九大行星
2006年升空的“新视野号”就为此而生
虽然它刚出发7个月
冥王星便被“降级”为矮行星
但它依旧目标笃定
最终不负众望
成为第一台飞掠冥王星的人造物体
而此时的人类世界
已经是2015年
▼新视野号拍摄的冥王星大气背光。图片来源@NASA




至此
人类终于“看遍”太阳系
但匆匆一瞥的图像
早已无法满足人类激增的好奇心
也远达不到科学研究不断进步的需求
更详细、精确的探测势在必行

II
全方位扫描


相比“一波流”的飞掠式探测
环绕飞行的探测器就像一台“天体扫描仪”
一圈又一圈
乐此不疲
▼“卡西尼号”探测器对土星的“扫描”轨道。图片来源@NASA




然而这并非易事
例如对于火星而言
从飞掠到环绕
这“一小步”人类就走了7年
1971年，美国“水手9号”发射
成为了火星上空第一颗人造卫星
在它工作的349天里
向地球传送了7329张火星照片
人类第一次如此清晰地
看到了太阳系最宏伟的高山峡谷
奥林帕斯山
高达珠穆朗玛峰的2.5倍
▼奥林帕斯山的假色地形图。图片来源@NASA




水手峡谷，长3769km
相当于从我国哈尔滨到拉萨一线
从头至尾被峡谷贯穿
▼水手峡谷，最深处达7km，如同刀劈斧凿。图片来源@NASA




在人类太空史上
1989年注定是不平凡的一年
这一年人类的目光终于抵达遥远的海王星
也终于将“麦哲伦号”、“伽利略号”送上太空
它们将分头奔赴金星和木星的环绕轨道
并在接下来的几年里带给人们无尽的惊喜
得益于“麦哲伦号”的合成孔径雷达
一个“万里无云”的金星清晰可见
地表的火山熔岩流张牙舞爪
炽热的气息扑面而来
▼“麦哲伦号”绘制的金星雷达影像，金星地表温度高达475℃，压强达到92个地球大气压，仿佛一个巨大的“超级高压锅”。图片来源@NASA




相比之下
“伽利略号”的发现似乎更加“幸运”
木卫二的巨大冰壳下可能存在海洋
这又一次点燃了人类对外星生命存在的希望
而它偶然记录下的彗星撞木星的天文奇观
不禁让人类回忆起数万年前的地球上
小行星撞击地球的画面
▼“舒梅克·利维9号”彗星碎片撞入木星场景的艺术再现，注意下方出现的撞击坑。图片来源@NASA




在一众轨道探测器中
最激动人心的
莫过于蜚声中外的“卡西尼-惠更斯号”
它经历了20年的孤独旅行
探测成就可谓无与伦比
继卡西尼后
至今尚无新的轨道探测器
造访土星及其外侧的天体
▼卡西尼号的探测成就。图片来源@NASA，星球研究所标注




▼“卡西尼号”拍摄的木星大红斑，风暴细节生动清晰；红色代表低层云。图片来源@NASA




去往遥远的行星困难重重
而在另一头
为了对抗太阳的巨大引力
环绕水星的任务也同样艰难
迄今为止人类仅对水星探测3次
而火星和金星都高达40余次
▼人类太阳系探索次数统计；部分数据来源《国际太空》第458期，星球研究所更新。制图@郑伯容/星球研究




第一艘水星轨道探测器“信使号”
总共飞跃地球1次、金星2次、水星3次
才正式进入水星环绕轨道
全程耗费了近7年
可谓是历尽波折
▼很难相信，水星离地球如此之近，但2011年人类才第一次看到了它的全貌。图片来源@NASA




和地球不同的是
水星的北极没有一望无际的冰原
只有一个永久的暗坑
里面蕴藏着大量冻冰
▼水星北极。图片来源@NASA




至此
经过50余年的努力
太阳系行星中仅有遥远的天王星和海王星
还未接受人类的“全方位扫描”
也许是对此有所感叹
“信使号”进入轨道后回望身后
为这些成员们拍摄了一张“全家福”
▼“信使号”拍摄的太阳系行星全家福。图片来源@NASA，星球研究所标注，请横屏食用




III
登陆


50多年前
“水手4号”第一次飞掠火星
距离火星表面近10000km
而“水手9号”第一次环绕火星
距离表面仅1500km
这么看来
终有一天人造物体将登陆其他星球
结果也确实如此
然而
最初的登陆却显得有些冷酷
这些探测器选择了一种义无反顾的方式
以较大的速度直接撞击星体
利用撞击前的短暂时机完成探测任务
随后便粉身碎骨
▼1959年“月球2号”硬着陆月球，完全坠毁前对月球磁场进行了探测；下图为艺术想象。图片来源@NASA




这绝非长久之计
于是离地球较近的月球、火星和金星
相继成为了软着陆的主战场
为了让着陆过程安全平稳
科学家们将想象力发挥到了极致
最经典的软着陆
采用的是推进器制动
▼2008年着陆火星的“凤凰号”采用的就是这种传统的方法。图片来源@NASA




根据功能不同
有的登陆器着陆后
只能守着“一亩三分地”
完成自己的使命
▼“凤凰号”在火星上工作的想象图。图片来源@NASA



而有的则带来了新的使者
即将在这片崭新的土地上大显身手
▼“嫦娥三号”也是通过推进制动着陆，这是中国第一次月球软着陆；图中是着陆器释放的月球车“玉兔号”。图片来源@CNSA




1997年登陆的“火星探路者号”
首次采用了气囊作为缓冲
圆滚滚的气囊在空中打开
萌点十足
▼探路者登陆器着陆前气囊打开。图片来源@《Roving Mars》




气囊撞击地表
首次反弹超过5层楼的高度
持续蹦蹦跳跳15次后终于停下
“旅居者号”火星车闪亮登场
开始了它的火星徒步之旅
▼“旅居者号”火星车出现。图片来源@《Roving Mars》




气囊缓冲技术的成功
让7年后的“勇气号”和“机遇号”得以顺利登陆火星
它们是一对双胞胎探测器
肩负着相同的使命
▼“勇气号”/“机遇号”在火星上的想象图。图片来源@NASA




“机遇号”在开始工作之前
回头拍下了帮助自己平安抵达的气囊登陆器
这也许是对它最好的感谢方式
▼“机遇号”着陆时使用的气囊。图片来源@NASA




工作了一年后
“机遇号”的车轮深陷沙坑，寸步难行
无奈之下
它只能原地自拍
最终在地球人的帮助下
才得以脱离困境
▼“机遇号”自拍深陷沙中的车轮，人类在地球上经过了6周的物理模拟才帮助它脱困。图片来源@NASA




而它的兄弟“勇气号”就没有这么幸运了
近一年的解救行动均以失败告终
2010年NASA宣布
放弃对“勇气号”的“火星救援”
辛勤工作6年的“勇气号”走到了生命的终点
另一边重获新生的“机遇号”则更加卖力
它将兄弟的使命一同扛起
原本设计寿命仅90天
却超额服役长达14年
▼机遇号在火星荒原上孤独的前进轨迹。图片来源@NASA




截至2018年5月8日
它已在火星上跋涉45.16km
创造了无人探测车在太空中的最高移动记录
▼历代火星车和月球车的移动记录。原图来源@NASA，修订@郑伯容/星球研究所




直到2012年
一辆豪华火星车“好奇号”诞生了
相比之前的探测器
“好奇号”体型更加庞大
▼历代火星车对比，左为“勇气号”/“机遇号”，下为“旅居者号”，右为“好奇号”。图片来源@NASA




于是一种全新的登陆方式应运而生
由一架天空起重机将火星车缓缓放下
随即夹断系绳与之告别
▼“好奇号”落地。图片来源@NASA




此后
“好奇号”在火星表面四处驰骋
一路收集土壤、岩石
不断向千万里之外的地球人
发送一个接一个激动人心的消息
▼“好奇号”在火星钻孔采样。图片来源@NASA




经分析发现
火星土壤水分高达1.5-3%
岩石中含有有机物
这无疑让人们惊讶、兴奋、喜悦
似乎已能看到火星帝国的未来图景
▼火星移民想象图。图片来源@NASA




如今
NASA和ESA正在计划将火星样本带回地球
这可谓是史上最野心勃勃的星际探索之一
打头阵的便是NASA的2020火星车
它装有23个照相机
是一台顶配的“好奇号”
预计将于2021年着陆火星
▼2020火星车工作想象图。图片来源@NASA




未来人类将看到怎样的太阳系？
我们无法预言
但可以肯定的是
人类不仅是见证者
也必将成为“亲历者”

IV
人类亲临


1961年4月12日
苏联宇航员尤里·加加林搭乘“东方一号”升空
人类的足迹第一次进入太空
随后的第8年
美国宇航员阿姆斯特朗代表人类踏上了月球
一句“我的一小步，人类的一大步”
令全世界为之沸腾
▼人类在月球上的第一个脚印。图片来源@NASA




此后
阿波罗计划在全世界几乎家喻户晓
它曾经功勋卓著、成就斐然
▼“阿波罗15号”和首个月球车，宇航员在月球上共停留了3天。图片来源@NASA




也曾经面临功败垂成的危机
▼“阿波罗13号”在前往月球的途中氧气罐爆炸，3名宇航员经历重重危机后搭乘登月舱安全返航。图片来源@NASA




然而
和在太阳系中四处漫游的探测器不同
直到阿波罗计划终止
人类也尚未走出地球与月球的界限
▼“阿波罗17号”在月球轨道上拍摄的“地出”，这也是人类最后一次登上月球。图片来源@NASA




NASA近期宣布
2030年将重启登月计划
并将宇航员送上火星
届时声名赫赫的国际空间站
亦将成为人类探索深空的第一个中转站
▼国际空间站拍摄的极光。图片来源@NASA




回首人类60余年的太空探索
人们不免感慨万千
那些作为人类前哨的探测器
有的依旧老骥伏枥
▼“好奇号”仍在火星上运行。图片来源@NASA




有的已灰飞烟灭
▼消失在土星大气中的“卡西尼号”。图片来源@NASA




有的则飘向无尽的宇宙世界
再无机会返回太阳系
▼“旅行者1号”飞跃土星后，高速直奔太阳系外而去，目前已成为离地球最远的人造物体。图片来源@NASA




但他们依然承载着
一代代地球人对星空的好奇、执念与理想
正如诗人写道
▼莱蒙托夫《帆》
一只船孤独地航行在海上，它去远方寻找什么？又把什么抛在故乡？它不是寻求幸福，也不是逃避幸福，它只是向前航行，脚下是沉静碧蓝的大海，头顶是金色的阳光。…
也许你我有生之年有幸得见
人类终于成为跨星球物种
但不论人类的疆域如何扩展
人们永远不会忘记60多年前的那一天
那一天
人类的目光第一次摆脱大气的束缚
从此开启了一个恢弘的时代
▼一件退役的俄罗斯太空服，被人类“故意”从国际空间站抛出，成为一颗独特的人造卫星，被称为“Suitsat 1号”。也许未来有一天，人类真的能漫步星际之间。图片来源@NASA




这是属于全人类的60年
也是属于科学开拓者的60年
P.S. 本文主要参考文献包括：刘明《俯瞰地球——人类航天探索解密》、王志军《飞向宇宙——人类太空开发展望》、陈求发《世界航天器大全》、弗利斯·安格波特《太空简史》、卢勇《世界重大空难透视》等。