探测器列传:23.旅行者出发

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咱们书接上文，这一次终于要讲到大名鼎鼎的旅行者计划了。这个计划可以说的70年代实施的最令人激动的深空天体探测计划。我们前面已经讲到过了，从60年代开始，NASA的工程师发现在80年代会出现一次难得的9星连珠的天文现象，这就为用一颗探测器去拜访一大串的行星创造了机会，先驱者计划只是第一次试水。

JPL最开始提出这个设想的时候，计划很大，但是当时NASA的主要资金都用在了航天飞机计划上，因此行星探测计划只能缩水了。所以当时这两个探测器被称为水手11号和12号。但是后来因为设备足够先进，已经完全超出了水手探测器的平台性能，最后干脆改了个名字叫旅行者计划。这两个探测器也就被改名为旅行者1号和2号了。


旅行者号拜访行星的海报

但是计划毕竟是缩水了，所以呢，这两颗探测器的任务进行了取舍。首先是要执行木星和土星的飞跃计划，还要拜访土星最大的卫星泰坦。如果这个计划成功了，那么第二颗探测器就执行大巡游任务，也就是用不着再去拜访泰坦了，而是利用引力弹弓来执行天王星和海王星的探测计划。要是第一颗探测器不成功，那么第二颗探测器就得作为备份，调整轨道去重复第一颗探测器的任务，总而言之，木星和土星是重点，在保证完成任务的前提之下，顺带去天王星和海王星。

所以，旅行者2号反而是先发射的，它可以在路上慢慢走。旅行者1号后发射，但是它走的是一条快速轨道，因为旅行者1号的任务更加简单，土星的大气非常浓密，土卫6泰坦也是拥有大气层的卫星，旅行者1号为了考察这两个家伙，最后不得不拐弯离开黄道面，也就无法再考察其他行星了。太阳系的大行星，都位于黄道面附近。


JPL的主任戈德·斯通站在旅行者1号的模型前

这两颗探测器的设备基本上是一样的。探测器上最重要的设备是科学成像系统，这个照相机有两组镜头，一组是长焦，一组是广角。这是一个多波段的照相机，通过更换滤光片，可以拍摄各个波段的图像。



探测器上还带有红外线干涉光谱仪。这个东西对热量非常敏感，可以探测云层结构，也可以研究大气的对流状况，到底有没有雾霾啊，全是靠这个光谱仪。

旅行者号探测器还带有无线电探测器，这个探测器对20K赫兹和40.5兆两个频段进行接受，要知道土星和木星都带有强磁场，磁层等离子共振等等现象都会发射出无线电波。这种无线电波还跟黑体辐射不太一样，值得好好记录研究。



当然啦，探测器上还带有紫外光谱仪、宇宙射线探测器、等离子体探测器等等科学研究设备。这两个探测器都采用了核电池，不需要太阳能电池板，结构上比较简单，寿命也很长。要知道，在太阳系边缘，太阳已经跟一颗恒星的亮度没啥差别，你指望靠一颗星星的亮度来驱动电池板，实在是异想天开。还是核电池来的可靠。

对了，旅行者号上还装了一套金唱片，外带播放装置。使用方法都写在了铝制的外壳上，这个想法是卡尔萨根提出的。这家伙满脑子都是要在宇宙里散播一下人类存在的痕迹，生怕外星人不知道我们在哪儿。

这个唱片是铜的，外表镀了一层金，直径12英寸，里边包含了55种语言的问候，而且还有很多地球上的自然之声。比如包括海浪、风、雷、鸟鸣、鲸鱼歌声、还有其他的一些动物叫声。另外唱片上也记录了很多个民族的音乐，其中就包含我国的古琴曲流水。这张唱片上还记录了115张照片，全都是模拟格式，说白了就是一行一行的图像波形，不是什么数字格式，这样比较容易解读。


金唱片

唱片播放装置上附带了一块高纯度的铀238，这个东西会衰变成钍元素，半衰期是44.5亿年。如果旅行者号探测器真的被外星人捡到，可以通过铀元素和钍元素的比例来计算旅行者号探测器的出发时间，大致判断出飞行的距离。你别说，卡尔萨根和德雷克他们几个想的还挺长远。

估计这个东西被外星人捡到的机会极其渺茫，我们也不担心会引起外星人入侵。要入侵的话，他们早就入侵了。这东西其实就是一个公关造势活动，就跟烧香拜佛差不多。你以为烧香是给神仙上供，其实还是做给人看的。

旅行者2号是1977年8月20号发射的，比旅行者1号早了两个礼拜。1978年，旅行者2号穿过了小行星带，但是因为地面人员的疏忽，有一段代码忘了传到探测器上，导致探测器的高增益天线出现故障，这就导致地面和旅行者2号的差点联系不上。好在呢，备份通信系统还是可以接收信号的，但是因为通信系统之中的元器件故障，导致这个备份通信系统带宽特别的窄，也就是说无线电频率稍微有点偏差，就接收不到了。



你别忘了，探测器是在高速飞行，地球也在自转，因此从地面发出的无线电信号是带有多普勒频移的，一旦频率跑了，接收信号就困难。这是一个特别麻烦的故障。没办法，旅行者2号就是靠这套系统一直坚持下来了，也实在是难为这个探测器了。

旅行者1号别看晚出发，但是速度更快，1977年的12月份就已经到达小行星带。然后呢，就超过了旅行者2号，1号比2号更早到达木星。1978年4月份，旅行者1号就开始执行木星成像任务，其实这时候探测器距离木星还很远。基本上也看不清什么。一直到1979年的1月份，才传回了木星的高清大图，旅行者号的相机可比先驱者号强多了。通过对照片的解读，发现今年的木星比前几年先驱者号拜访的时候更加动荡。说白了就是大气层里的旋涡更多呗。


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旅行者号还给木星拍了个延时摄影，每隔96秒就拍一张，一共拍了100个小时，基本上是把木星自转给拍了10遍。木星是个流体组成的球，赤道上自转的速度和两极还不太一样。平均下来，10个小时就转一圈。这么大的一个球，又不是一个硬邦邦的刚体，比地球自转还要快一倍多。所以整个木星都被甩扁了，肉眼可见是个椭圆。赤道半径远比极半径要大得多。


旅行者1号拍摄的木星环

1979年的10月份，旅行者1号飞进了木星的卫星系统。发现木星也有一个非常稀薄的光环。这光环主要是由尘埃构成的，因此不那么亮。土星环为啥那么亮呢？因为土星环是小冰颗粒组成的，冰颗粒不就雪嘛，那反光度能不高吗？尘埃可没那么亮。因此一直到旅行者1号探测器飞近了，才探测到原来木星还有这么一条非常暗弱的尘环。估计这个环是撞击造成了尘埃飞溅，最后绕着木星散布成了一个圈。到底是谁跟谁撞了，那就不好说了。


木星的大红斑

接下来，探测器运行到了距离木星最近的点，距离木星表面大概是28万公里。距离这么近，当然得好好的拍照片了。另外，探测器上的其他传感器也开足马力记录数据。旅行者1号足足拍了两天时间。然后就沿着既定轨道逐渐远离了木星。随后旅行者1号拜访了木卫五、木卫一、木卫二，以及木卫三和木卫四，基本上是把大号的卫星全都拜访了一遍。木星有67颗卫星，实在是太多了，只能挑重点的拜访。最神奇的是木卫一，这颗卫星上起码有8个极其活跃的火山正在把某些物质抛洒入太空。这个家伙可能是太阳系里最活跃的天体了。

木卫1直径3642公里，比月亮大得多，表面颜色是亮黄色，看来是硫磺太多。隔三差五的火山喷发，硫磺能不多吗？这也说明，木卫一这个家伙拥有一颗比较大的内核，这个内核应该是铁元素，或者是硫化铁。木卫一的表面几乎没有撞击坑，也就是说，表面翻新的速度太快，隔三差五就被岩浆浇筑一遍，即便有坑也被埋在下边了。


木卫一表面火山喷发导致的熔岩流

正因为木卫一喷发频发，它这个天体又很小，引力也小，因此喷出去的物质轻轻松松就近了太空。但是木星的引力大，所以这些乱七八糟的物质围绕着木星的磁层形成了一大片等离子环。所以，这个地方的电离辐射水平也很高。

1979年的4月9号，旅行者1号修正轨道，奔着土星就去了。先驱者10号和11号不太凑巧，当时木星和土星距离很远，跳过去要好几年。但是旅行者号这一次，木星和土星距离不太远，尽管如此，旅行者1号也还需要飞行一年半载的。

就在旅行者1号飞向土星的过程之中，旅行者2号也来到了木星。旅行者2号有机会拍摄了大红斑的特写，发现这个大红斑原来是木星上一个超大规模的反气旋。这个气旋的规模大到难以想象，足可以放下3个地球。


旅行者2号拍摄的大红斑特写

既然这东西是个巨大的风暴，就像地球上的台风。那么这个东西就是一直在动态变化的。现在科学家们都人认为，第一个发现大红斑的人是英国的科学家胡克。时间大概是在1664年。后来很多的科学家都看到过这个大红斑，尽管那时候的望远镜看不到细节。既然这东西是个风暴系统，看来这场风已经足足刮了300年了，一直就没停过。木星的大气环流远比地球要猛烈得多。

地球毕竟是有固体表面的，由高山有峡谷，对气流的阻碍也大。但是木星完全没有固体表面，完全就是个流体组成的球，大气流动起来障碍更少。大红斑存在那么久，也好理解。但是，大红斑也不是一成不变，大小也会变化。大红斑内部的结构也极其复杂，经常有小的旋涡合并进来，边缘上也经常会有小的旋涡脱离。将来某一天，要是大红斑消失了，也不是什么不可思议的事儿。木星上的气旋反气旋也不止大红斑一个，只是大红斑是最大的而已。


木卫一上的火山喷发

旅行者2号也对木星的卫星进行了考察，发现了木卫一上有9个火山正在喷发，3个月时间，比上次旅行者1号还多一个。由此可见，木卫一上火山爆发之频繁。喷出的烟雾甚至高达300公里。

木星的几个大卫星其实都已经进入了轨道共振状态。木卫一就像月亮一样，也已经被木星潮汐锁定，也是只有一个面朝向木星。但是，木卫二和木卫三也不是省油的灯，而且这几个卫星还一个比一个大。木卫一绕着木星转两圈，木卫二就刚好转一圈，周期呈现出整数比。同样，木卫二每转两圈，木卫三就刚好转一圈。这就叫做轨道共振。所以，木卫二和木卫三会导致木卫一发生晃动。而且还伴随着扭曲，扭曲变形的幅度达到了300米。

其实呢，地球和月亮之间也有互相的扭曲和变形，其实潮汐现象就是变形嘛。地球本身虽然是个固体，也是会变形的，幅度大概只有1米，几乎忽略不计。但是木卫一本来就不大，变形幅度达到300米，这就已经很严重了。这个天体被如此的捏来捏去，内部是会产生热量的。你拿一根粗铁丝来回掰，在弯折处也会发烫的。道理都一样。


半幅木卫二马赛克拼接影像

内部越热，当然也就越容易出现火山喷发，所以，小小的木卫一上才会有那么多的火山喷发。当然啦，这种揉搓变形都是相互的。木卫二上到处都是冰，整个表面到处都是各种条纹，这种地形地貌很地球上的山脉峡谷相差很远，倒是像被随意乱划的痕迹，有点像是裂纹。可能是木星以及其他卫星造成的潮汐力，导致表面的冰层大量破裂。



木卫三是木星最大的一颗卫星，旅行者2号也拍到了木卫三的照片。有些地方撞击坑很多，比较黑，有些地方比较明亮，撞击坑也很少。不少撞击坑周围是白色。似乎是冰层。其实道理很简单，木卫三的表面也有大量的冰，那些撞击坑也是砸在冰上的。下边是很深的海洋。通过这颗天体的整体密度来判断，这个家伙应该说一半岩石一半是水，水肯定是在外边，岩石在里边。表面上的水肯定结了一层冰嘛。

木卫四距离前三颗卫星比较远，也就不存在轨道共振现象，而且它也被木星强大的引力潮汐锁定了，也是一个面对着木星。所以这个天体比较稳定，表面陨石坑非常多。表面也有大量的冰，下边可能也存在很深的液态海洋。只是这颗天体没什么生气，比较枯燥和无聊。


木卫四满地都是陨石坑

木星最主要的大卫星就是这4颗，也被称为伽利略卫星。在地面上，用小型望远镜就能看到这4个卫星，只要你眼睛好。

旅行者2号也探测到了木星周围强大磁场，也探测到了木星周围充满了高能带电粒子的辐射带。带电的粒子在运动的时候，也会产生磁场，木星周围的磁场和电场就变得非常复杂，这些东西构成了木星的磁圈，这个磁圈不仅超级大，而且还不对称。这个磁圈也会随着木星的自传而转动。每次木卫一穿过这个磁圈的时候，都会切割磁力线发电，而且还会被这个磁圈剥走一吨的物质，这些物质最后都会掉进木星大气甚至可以形成极光。

旅行者2号也围着木星拍了很多的照片，然后一拐弯，也奔着土星去了。当然啦，它比旅行者1号还是慢多了。旅行者1号是1980年11月份就达到了土星附近，旅行者2号是1981年8月底才到达土星附近。


旅行者1号拍摄的土星和环的全貌

旅行者1号发现了5颗新卫星，确认了土星环G环的存在。旅行者1号发现，土星的成份里有7%的氦，其他的都是氢，相比之下，木星大气的氦含量就高一些，达到了11%，我们知道，整个宇宙里，氢占了大约71%的比例，氦大概占了27%，其他的元素只占个零头。像太阳也好，木星和土星这样的巨型气态行星也罢，他们的主要原材料，就是氢和氦，按理说，它们的氢氦占比也应该和宇宙平均水平差不多。可是木星和土星的大气层之中氦如此之少，这说明什么问题呢？这说明，氦会下沉，它们比氢元素要更重，会沉积到星球的内部。

氦元素沉积到星球内部的过程，本质上是个气体压缩的过程，这个过程是会产生热量的。所以，不管是木星也好，土星也罢，他们距离太阳本来就遥远，从太阳得到的热量，还不如自己产生的热量更多。既然内部有热源，土星上的风速还是蛮快的，赤道附近的风速达到了500米/秒。

旅行者1号在高纬度地区探测到了极光，这不奇怪。但是在中纬度地区也探测到了类似于极光的氢紫外线辐射，这就把科学家们搞糊涂了。土星是有磁场的，而且还很强，来自太阳的高能带电粒子钻进土星磁场就会拐弯，开始绕着螺旋，奔两极去了。所以在两极地区，高能带电粒子撞击稀薄大气会产生辉光，也就是极光，这不新鲜。但是中纬度地区是如何产生极光的呢？高能带电粒子到底是怎么钻进去的？还是有别的什么来源，当时的科学家们是想不通的。

土卫六的大气分层（伪彩色）

旅行者1号一拐弯，奔着土星最大的卫星土卫六就去了，土卫六拥有非常浓密的大气层，想直接拍摄到这个天体的表面很难。但是旅行者号可以通过阳光穿过大气层边缘，来判断大气层的成份。同时，旅行者一直和地面保持无线电通信，那么就可以借助探测器转到土卫六后边的机会，让地球和探测器之间的无线电波穿过土卫六大气层，利用无电线信号的变化来测量大气层分。

通过这种方法，大家大致知道了泰坦的大气层主要是氮气和甲烷，现在通过探测器的测量，也大概知道了大气层的密度，根据泰坦上的重力加速度，就可以大致判断出，泰坦表面应该是有液态的碳氢化合物的。

在拜访了泰坦之后，因为轨道的关系，未来的飞行轨迹必然要离开黄道面了，借此机会，旅行者1号从何土星的南极上空掠过。拍摄了不少照片。接下来，旅行者1号将会去探测茫茫无际的星际空间。

既然对土卫六的探测是成功的，那么旅行者2号就不需要变轨，那么旅行者2号将会拜访土星，天王星和海王星。有关这档子事儿，我们下回再说。