探测器列传:15.木星之旅

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上文书我们讲到了美国人开始把眼光投向了火星之外，夸过小行星带之后还有广阔的空间需要人类去探测。以小行星带为界线，往里全都是岩石行星，往外就是气态行星的世界了，那是一个完全不同的领域。

其实，这个探测计划并不是一时兴起，这跟天文学上的一个巧合有关系。从70年代末开始，一直到80年代初，会出现一次9星连珠的情况，那年头，冥王星还没有被降级，所以大家都认为太阳系有9大行星。9星连珠也就意味着，太阳系的几颗大行星会排列在太阳的一侧，尽管没办法完全排成一条直线，而且也经常凑不齐9颗。起码4颗巨型气态行星都是在同一边的。但是这对行星探测器来讲，却是千载难逢的机会，175年才有这么一回。因为这就意味着，只要把握好发射时机，控制好轨道，就可以利用一颗探测器拜访好几颗行星。



所以，JPL的工程师在1964年就已经提出了这个想法，这个方案还有一个好处，那就是借助引力弹弓效应。探测器可以借力打力，获得加速。不但节省了燃料，还节省了整个计划的总时间。探测器寿命有限，实在拖不起，能快还是尽量快一点。

NASA后来采纳了这个建议，NASA的艾姆斯研究中心提出了一个银河系木星探测器计划，发射两颗探测器，一前一后，穿过小行星带探索木星。因为借助了木星的引力弹弓效应，这两颗探测器不会成为绕着太阳转圈圈的人造行星，而是一直向太阳系外飞去，永不回头了。

一直到1969年2月份，NASA才批准了这个计划，开始正式执行。NASA就把当初那个先驱者计划的名字拿出来了。编号往下排，轮到10和11了，于是这两颗探测器叫做先驱者10号和11号。

所以啊，70年代初的先驱者10号11号，到70年代后期的旅行者计划，都是为了赶上70年代末，80年代初这个行星连珠的机会。这也是行星探究的一次高潮，后来的探测器就只能一事一议了。


先驱者10号

先驱者10号和11号交给艾姆斯研究中心负责运行。这一次不是交给JPL的。艾姆斯研究中心面临的难题还是很多的，因为这颗探测器要在星际空间飘很多年，这个寿命不是金星火星探测器能比的。

木星和土星的轨道距离太远了，如果用太阳能电池板，电力可能会不够用。能源问题不好解决。另外，正因为木星轨道实在太远了，需要非常强大的火箭，才能获得足够的速度，速度慢了，时间太长。那么用什么火箭能发射呢？

探测器总要调整姿态，总要进行轨道修正，所以探测器必须带小发动机，携带液体燃料，如何保证燃料能保存那么长时间？

接下来就是通信问题了，木星轨道如此遥远，发射的无线电信号如何精确的对准地球，地面上要用多大一口锅才能接收那么微弱的信号，这也是一个前所未有的难题。这些难题都要一一解决，时间不多了。


架设在本体之外的核电池

首先是能源选择问题，既然木星轨道太阳光太弱，那就只能选用核电池。也就是利用钚238作为能源，上次我们详细讲过核电源的材料问题。先驱者10号选用了4台同位素热电源。利用钚238自发衰变释放出热量，然后利用温差来发电。因为这东西会发热，也为了让放射源尽量不干扰其他的仪器，4个电源分两组，用支架伸出探测器之外，支架的夹角是120度，就好像探测器长了两个犄角一样。

先驱者10号大概是个六边型的盒子，盒子上边是一口大锅，也就是高增益定向天线。为了加强信号，这口锅的直径达到了2.74米，跟过去家用的卫星电视天线差不多。不能再大了，再大装不进火箭整流罩。

先驱者10号从侧面伸出三根杆子，两根短粗的顶端挂的是核电池。又细又长的那一根杆子顶端装的是磁场强度传感器，这东西怕干扰，尽量撑远一点。



除了测磁场，高能宇宙射线总要测量吧。红外紫外线总要测吧。还有盖格计数器，微流星体计数器，带电粒子测量仪，辐射测量仪，偏光望远镜等等仪器设备。总之，不是测带电粒子的，就是测光的。

偏光望远镜其实就是照相机，口径1英寸。里边配备了红光和蓝光滤镜，可以拍摄彩色照片。有人说还差绿的，没关系，不带滤镜拍摄的是黑白图像，通过算法扣除红色和蓝色，可以反算出绿色。

探测器装了6个姿态调整发动机，内部装了一个直径42厘米的球形燃料罐，里面装的是偏二甲肼+四氧化二氮作为燃料，这两种物质常温下都是液体。除了需要耐腐蚀，不需要什么特别的条件。能够长期在太空保存。当然为了抗腐蚀，燃料箱需要皮厚一点，管子和阀门需要特别的材料。其他也就没什么特殊的了。



总之，这个探测器从天线顶端到底座高度2.9米，天线直径2.74米，这个探测器的轮廓尺寸就这么大，重量达到258公斤，跟一辆重型摩托车差不多。因为火箭能力有限，探测器不能太重。不能太重，还要经久耐用，这本身就是一对矛盾。艾姆斯研究中心的技术人员简直是螺丝壳里做道场，尽量节省每一克的重量。

即便是如此节省，先驱者10号还是携带了一样看似多余的东西，这是一个铝制镀金的牌子，被固定在了探测器的壳子上。这东西也不轻，足足有120克重，宽度22.86厘米，高度15.24厘米，厚度1.27毫米。比一台ipad mini稍微大了那么一点。



牌子上左上角刻了氢原子的能级跃迁图。这表示人类就是用这种方法来测量时间的。中性的氢原子时时刻刻都在往外发射频率为1420.405MHz的无线电信号，这就是射电天文学非常重要的一条谱线。大家注意，我们日常使用的无线电频率，基本上都避开了这个波段，就是为了尽量不给射电天文观测造成干扰。

因为氢元素是宇宙之中最丰富的元素了。中性不带电的氢原子又是最典型的一个状态。我们的银河系里就有大量的氢元素，所以也会在1420.405兆赫上发出无线电信号。我们通过观测中性氢信号强度，就可以描绘出银河系的形状。可见光波段能看到的范围远比不上射电波段宽广。

当然，我们可以观察银河各个角度的中性氢信号的多普勒频移，确定银河系各个悬臂的转速。这也是测量和计算银河系整体转速的一个有效手段。测转速有啥用？你去复习复习暗物质是怎么发现的。


先驱者号的镀金铝牌

你别看牌子左上角上只画了两个圆圈表示氢原子，其实设计者是有深意的，这事儿很重要。

左边中间画了14条放射线，中心代表地球，线的角度和长度代表地球到周围14颗最亮脉冲星的位置。这些线也不是连续线条，而是像电报那样由短线和长线组成，这其实是二进制编码，表示这些脉冲星的自转周期。

牌子左下方刻着大小不一的圆圈，表示太阳系的9大行星，还画了一条曲线，从第三颗行星上延伸出来，夸过最大的一颗行星以后拐了个大弯，这表示先驱者10号的飞行路径。

牌子右边画了一对裸体的男女，表达人类的问候，人身边的弧线是先驱者10号探测器的轮廓。和人体身高的比例完全符合实际。

这牌子是干啥用的，其实就是在向外星智慧生命自报家门，就是高速外星人，时间如何计算，以我们人类计时的方法，找到那几颗周期相符的脉冲星，只要找到这几颗脉冲星，就能反推出地球的位置。接下来的内容就介绍我们是谁，我们到底啥模样，我们的态度是友好的……

我充分怀疑，外星人看不懂。您这东西地球人都看不明白，别说外星人了。再说啦，这东西哪怕飞出去几百万年，都未必碰得上一颗行星，这颗行星还未必存在智慧生命，您这心操得有点太远了吧。这是谁出的主意？


埃里克·博格斯

想出这个创意的人叫“埃里克·博格斯”，他是《基督教科学箴言》的记者，也是专栏作家。而且还是英国皇家天文学会的会员，以及美国宇航协会的会员。他为先驱者计划写了很多文章。和当时在NASA工作的卡尔萨根特别熟悉。他把自己这个想法一说，卡尔萨根马上来了兴趣。是卡尔萨根打报告申请，在先驱者10号上边装了这么个牌子。


弗兰克·德雷克

至于牌子上的内容呢，是卡尔萨根和德雷克两个人设计的。这二位可是大名鼎鼎啊，德雷克是专门研究无线电天文学的，他主持了搜寻外星人的无线电信号，还主持了阿雷西博天文台的扩建。这位也是个强烈的外星人爱好者。牌子上那两个裸体小人呢，那是卡尔萨根的妻子画的。卡尔萨根的第二任妻子刚好是个艺术家。

这个牌子一式两份，另一个装在先驱者11号上。卡尔萨根干这事儿上瘾啊，他就喜欢诸如此类的行为艺术。在他的推动之下，旅行者一号和二号已经不装金属牌子了，改成多媒体唱片了，不过这是后话了。


卡尔萨根在波士顿市政厅门口举着先驱者10号的金属牌

1972年的3月3号，先驱者10号发射升空。这一次用的还是擎天神火箭+半人马座上面级。但是为了增加推力，在半人马座上面级上边又装了一个Star-37E固体火箭。用这个家伙完成先驱者10号的最后加速，就靠这东西临门一脚，足以把探测器送出太阳系。

火箭发射很成功，探测器被加速到14.4公里每秒远远超过了第二宇宙速度。11个小时之后，先驱者10号就已经路过了月球，由此可见这家伙飞得有多快。为了稳定自身的姿态，先驱者10号以每秒转一圈的速度快速旋转。等到三根拉杆伸出来了，转速也就降低到了一分钟4.8圈。这个过程符合角动量守恒。反正先驱者10号使用核电池，不需要太阳能电池，因此也就没有对准太阳的必要。只要轴线上的那口大锅能对准地球就行了，可以采用自旋稳定。

先驱者10号需要的总能量是100瓦左右。出发的时候，电池的功率是155瓦。根据计算，等飞到木星的时候，功率会衰减到140瓦，依然是富富有余的。30年后，大概会衰减到80%，但是用来把热能转化成电能的热电偶老化更快，估计只能提供60%的电力了，到那时候，仪器只能选择性的开启，无法同时开启了。不过呢，这已经远远超出了NASA当时的计划。NASA觉得能坚持两年就够用，当然时间长了更好。但是没想到坚持了那么久。


先驱者10号的油画

先驱者10号就是这么一路转着，奔着木星就去了。10天以后，探测器上的仪器开机了。先驱者号成了第一个探测到行星际氦原子的探测器。还捕捉到了来自太阳风的铝离子和钠离子。发射了仅仅12周，先驱者10号就穿过了火星轨道。12个礼拜不就是3个月嘛。过去火星探测器都要走7个月呢。先驱者10号跑得比别人快多了。

1972年的7月15号，先驱者10号进入小行星带，成为人类第一个进入小行星带的航天器。到了8月7号，先驱者号探测到一次猛烈的太阳风暴，而且探测到了风暴产生的激波，先驱者9号也参与了观测。大家别忘了，我们以前提到过这个先驱者9号，这是个廉价低配版的太阳系探测器，寿命长着呢。

在穿越小行星带期间，先驱者10号上的探测尘埃颗粒和微流星体的探测器没有收到多少信号，说明小行星带还是非常空旷的。我们现在看科普的影视，或者是某些科幻作品，总是把小行星带描绘成密密麻麻的，到处都有小天体，其实真实情况根本不是这样。行星际空间的空旷是难以想象的，小行星带虽然小天体很多。但是相比之下空间更大。


先驱者10号的路径

当然了，行星际空间也不是完全真空，多多少少还有点物质。我们太阳系内大部分物质都集中在一个扁平的盘子上，这个扁盘子上的物质横竖是要比其他真空环境要多那么一点点，多多少少会多反射那么一点点光。这一点点光是可以被观测到的，这就是所谓的“黄道光”。因为从地球上观测，这些物质的反光总是集中在黄道带上。先驱者10号也对这些颗粒做了统计。

到了1973年的2月15号，先驱者10号安全地穿过了小行星带，下一站就是木星了，到此为止它已经飞过了4.35亿公里的距离。但是从小行星带到木星还有好远好远呢。2月15号是春节刚过，还没到元宵节。

一直到11月份，先驱者10号才接近木星的范围。这个地方距离木星2,500万公里。地面艾姆斯中心的研究团队发出指令，开始测试先驱者10号的成像系统，也就是说打开望远镜，准备拍照了。这时候的木星在照相机画面上，还是一个绿豆大小的小光点。拍到的照片要花好久好久才能传回地面，因为这个时候，探测器和地面的通讯速率是256bit/秒。随着距离越来越远，通信速率还会进一步下降，因为信号变得越来越微弱。


先驱者10号拍到的木星拼在一张图上

就这样，先驱者10号不断的发回照片，大家从图像上看到木星越来越大，越来越大，也就是说探测器距离木星越来越近了。又过了20天的样子。先驱者10号探测到的太阳风粒子的数目急剧减少，周围的温度升高了100倍。这说明，先驱者10号已经进入到了木星磁场边缘了。太阳风高能带电粒子遇到木星的磁场就会被迫拐弯绕着走，就不得不急剧减速。动能就会损失，变成了热能释放出来，周围的气温也就急剧升高了。当然，这里的气体分子极少极少，但是总归还是可以计算出温度的。

先驱者10号拍摄的木星，小黑点是木卫一的影子

到了1973年的11月29号，先驱者10号距离木星比任何天然卫星都要更近了，在这个距离上随随便便拍的照片就比地球上望远镜拍的强。

当然，先驱者10号是无法刹车的，只能飞掠而过。因为木星强大的引力，先驱者10号绕着木星拐了个发夹弯，借着绕到木星后边的机会，先驱者10号顺便利用和地球的无线电通信，测量了木星大气，而且还顺便给木卫二和木卫三拍了照片。这两个卫星体积太小，拍的照片比较模糊。但是这两个家伙反射率很高是确定无疑的了。后来大家才知道，这两个小家伙的表面覆盖着厚厚的冰层，反射率能不高吗？

先驱者10号飞掠而过

在先驱者10号靠近木星的期间，发现木星本身的辐射很强，是预期强度的10倍，结果先驱者10号的仪器出现了暂时的失灵。就在整个系统彻底报废之前的几分钟，辐射突然停了，这真是命不该绝，老天爷眷顾。尽管干扰比较严重，先驱者10号还是发送回了500张照片，科学家们看到了非常清晰的大红斑。收获了丰硕的成果。

然后呢，先驱者10号借着木星的甩劲儿，一拐弯就奔着下一站土星去了。有关这档子事儿，我们下回再说。