39年前衝出太陽系的的探測器仍在運作

旅行者1號（Voyager 1）自1977年9月5日發射，至今仍在運作。在離開地球的39年中，它曾到訪過木星及土星，是第一個提供了木星、土星以及其衛星詳細照片的探測器。現在，它已經離開了太陽系，繼續向銀河系中心前進，再也回不來了。「旅行者一號」同時也是首個衝出太陽系的人類製造的飛行器，在人類的航空航天史上成為一座極具紀念意義的里程碑，是距今離地球最遠的人造衛星。

圖為旅行者攜帶的黃金圓盤，釋義文末揭曉

那麼「旅行者」是如何飛出太陽系，在這39年中又經歷了怎樣的奇幻旅程呢？NASA現役工程師

首先，我們應該了解一下將要去「飛出」的那個地方:太陽系

在太陽系中的行星們日夜不停的保持著「轉」這個姿勢，它們都以不同的速度，周期和軌道圍繞著太陽公轉，每一顆行星的狀態都是獨一無二的，就像下面這張圖展示的一樣：

行星們雜亂無章的運行就像叢林中的陷阱，由於萬有引力的存在，任何飛行器都很難衝出這樣重重的障礙，但在上個世紀70年代中期，出現了一次非常難得的機會，行星們恰好運行到了一個非常絕妙的相對位置，為飛行器的航行提供了一條「星光大道」，就是下圖中的這條黃線：

這時，之前說好的基礎物理學水平告訴我們，兩點之間線段最短啊！這條路線顯然不效率，但稍微高端一點的物理學又告訴我們，由於地球圍繞著太陽公轉，那麼如果我們想將物體發射到太空中，這個物理就必須擁有與地球公轉同樣的軌跡，這就好像我們坐在高鐵列車上，如果車身可以做成透明的，那麼在外面的人看到的就是一群人以坐姿呼嘯而過，並且髮型不亂……

如果你還無法理解，那麼可能是空間尺度過大的原因（當然不能排除天然呆），咱們將空間尺度縮小到一個盤子上，同時需要一隻螞蟻作為臨時工，讓它從圓心爬向邊緣，顯然路線就是盤子的半徑，一條線段；但當盤子開始旋轉，雖然「臨時工」所經過的路線依然是一條線段，但在我們看來，則是一條曲線。

理解了這個問題，我們就可以回到人類的世界，有能力製造並使用一架太空探測器，無疑是人類的偉大成就之一，同時我們又遇到了每隔179年才會出現一次的「星光大道」，無論如何我們都沒有理由錯過這次絕妙的機會。

於是，在70年代中葉，為了對得起這次絕佳的機會，我們製造了兩架同樣的探測器，旅行者1號和旅行者2號，即使其中一架出現了問題，還有第二架可以保證計劃繼續進行（請不要問為什麼不製造100架，我們對自己還是有信心的），下圖就是它們的外形：

俗話說飽帶乾糧晴帶傘，準備齊全總是沒錯的，何況又是如此難得的良機，於是兩架探測器中被裝備了大量的科學儀器，其中包括一台高清行星照相機和用以探測磁場強度和方向以及宇宙射線的測力計。

那麼，問題來了：

1.這兩架探測器的動力是什麼？他們會在宇宙中旅行多久？

說到這裡，請看下圖：

我保證這是文中出現的唯一一個公式，你基本可以無視它，只聽故事就好：想像一下自己馳騁在籃球場上，場邊美女如雲，眼神熱辣，你本想把球傳給一位離你很近的隊友，但此時機智的你發現了更好的得分機會，於是你用了更大的力氣將球傳給了稍遠一些的隊友，因為你知道如果用的力氣小了，球可能無法飛到隊友那裡。

這就是牛頓第一運動定律：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。在剛才意淫中，因為重力和空氣阻力的存在，球能夠順利到達隊友手中，是因為你用了更大的力來保持球的受力平衡。

對於一艘宇宙飛船來說，這個概念至關重要，不要被科幻片中的情節所迷惑，宇宙飛船都是拖著長長尾焰才能前進，事實上，根本不需要這樣。

在旅行者飛船被發射的初期，它們仍然是圍繞著地球軌道運行，在準備妥當後，飛船會進行點火加力，改變目前的受力平衡狀態，從而離開地球，向太空飛去，在這之後，飛船便不再需要任何動力就可以飛行下去。因為太空中並沒有空氣阻力和重力的影響，但這時仍然會有一個外力會讓飛船失去平衡狀態：萬有引力。

太陽的質量大到我們無法想像，因此太陽也有著巨大的引力，這就好像你在一張床墊上放了一個鐵球，床墊自然會產生一個凹陷，這樣一來，鐵球旁邊的物理也會隨之落入這個凹陷。

離鐵球越近，凹陷所產生的曲面就會越陡，就越難脫離這個凹陷，而相對遠離凹陷的地方，則會平緩一些。對於宇宙飛船而言，太陽就是這個鐵球，所以我們想到了一個辦法，給予宇宙飛船更大初始速度，即使在太陽強大的引力作用下，飛船的速度也不會降到零，這樣，隨著飛船離太陽越來越遠，就可以成功逃離太陽的引力作用。這就是我們常說的「逃逸速度」。

任何一艘飛船，只要達到了其相應的逃逸速度，都以在不藉助引擎持續推進的情況下離開太陽系。

在剛剛離開地球時，在前文我們已經達成共識，旅行者探測器會擁有與地球公轉相同的速度，大約為36千米/秒，此時我們進行一次點火推進，大約需要42千米/秒的速度才能離開地球。

由於地球所在的位置距太陽較近，太陽的引力作用非常強烈，所以當旅行者探測器行至木星附近時，其速度僅剩大約9千米/秒，這遠遠達不到此處的逃逸速度，但是不要忘了，此時可是179年一遇的絕佳時機，旅行者探測器藉助木星的引力，將其速度又提升到了大約25千米/秒，這樣的過程在後面的行星中重複進行，最終，旅行者探測器成功的離開了太陽系。

至此，旅行者探測器永遠的離開了太陽系，再也回不來了。

2.NASA如何接收旅行者探測器傳回的信息，這些信息傳回地球需要多長時間？

實際上，NASA擁有一套完整的「深空網路」（DSN，Deep Space Network），在加州、西班牙和澳大利亞，NASA建造了三處巨大的深空通信設施，這三處設施分別相距120度，剛好可以覆蓋全球。這樣，無論是從何處發來的信息，都可以被接收到。

在設施的設計方面，也有著超前的規劃，理論上說，這些設施可以接收到旅行者探測器飛行一個世紀後傳回的信息，但事實上，旅行者探測器預計在2025年就會全面停止工作，無法再傳回任何信息，雖然旅行者探測器上的設備都採用了核動力功能，但仍然會有能源枯竭的一天。

在前面的旅行者探測器肖像中我們看到一個白色碗狀的天線，信號從旅行者探測器發出時，信號功率約有19瓦，但會在傳輸的過程中逐漸衰減，最終地球接收到的信號強度僅剩10的-16次方瓦，而這個傳輸的過程，大約需要16個小時。

好在旅行者探測器發送的信號為8.4GHz的高頻信號，這是一個在地球上基本不會用的頻率，所以我們很容易發現和接收旅行者探測器發回的信息。

旅行者探測器可能會在太空中漂流數十億年，而在那時，太陽系早已不復存在，但旅行者探測器上清晰的記載著人類曾經存在過的證據。

旅行者探測器攜帶了一張銅質磁碟唱片，外徑為12英寸，鍍金表面，內藏金剛石留聲機針。這意味著即使是數十億年之後，這張唱片的音質依然和新的一樣。唱片就像一個時間膠囊，濃縮了人類文明的精華，其中記錄了用55種人類語言錄製的問候語和各類音樂，115幅影像，包括太陽系各行星的圖片、人類的性器官圖像及說明等，唱片內還包括一個90分鐘的聲樂集錦，主要包括地球自然界的各種聲音以及27首世界名曲，其中有中國古曲《流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等。另外，唱片封套上也包括了一塊高純度的鈾238。由於已知其衰變為鈈239的半衰期約為41.7億年，這樣捕獲此唱片的外星生命即可據此推算出探測器的發射日期。

值得一提的是，在這張磁碟上，還記錄著一段來自美國總統吉米-卡特的留言：

這艘「旅行者」號宇宙飛船是美利堅合眾國建造的。我們是一個具有2.4億人類生命的集體，我們與居住在地球上的40億人類共同生存著。我們人類現在仍以國家劃分，但是這些國家正在迅速地成為一個單一而又綜合的文明世界。 我們向外星致文。此文可能在未來的10億年中長存，屆時我們的文明世界將會發生深刻的變化。當地球面貌也大為改觀時，這一信息可能依然存在。在銀河系2000億顆恆星中，一些（也許更多）恆星的行星上有生命居住，並存在著遙遠的宇宙文明。如果一個文明世界截獲了「旅行者」號，並能理解它所攜帶的錄製內容，就請接受我們如下的致文：這是來自一個遙遠的小型世界的禮物。它是我們的聲音、我們的科學、我們的意志、我們的音樂、我們的思考和我們情感的象徵。我們正努力延續時光，以期能與你們的時光共融。我們希望有朝一日解決了所面臨的困難之後，能置身於銀河文明世界的共同體中。這份信息將把我們的希望、我們的決心、我們的親善傳遍廣袤而又令人敬畏的宇宙。——1977年6月16日於白宮

最後，我們來看看旅行者探測器都發現了什麼？

地球和月球的合影

木星上的巨型颶風

木衛三

木衛一上的火山噴發

土星環的高清細節

海王星上的雲層

海衛一上的冰凍泉

2007年停止等離子子系統運作

2008年停止行星無線電天文實驗

2010年停止掃描平台及紫外線分光計觀測

2015年停止數據磁帶機運作

約2016年停止迴轉儀運作

2020年開始關閉科學儀器

2025年或之後沒有足夠電力供應任何單一儀器

附2：90分鐘的聲樂集錦包含的27首音樂

德國- 巴赫「F大調第二勃蘭登堡協奏曲第一樂章」，由慕尼黑巴赫管弦樂團演奏，由卡爾·李希特指揮。4分40秒

爪哇- 「花的種類」，由Pura Paku Alaman以甘美朗演奏，由K.R.T. Wasitodipuro指導，由羅伯特·布朗錄製。4分43秒

塞內加爾- 敲擊樂，由查理士·杜代爾（Charles Duvelle）錄製。2分08秒

剛果民主共和國- 俾格米女子創始曲，由柯林·特恩布爾錄製。56秒

澳大利亞- 澳大利亞原住民歌曲「星晨」及「邪惡鳥」，由Sandra LeBrun Holmes錄製。1分26秒

墨西哥- 「El Cascabel」（門鈴）由Lorenzo Barcelata及Mariachi México演奏。3分14秒

美國- 「Johnny B. Goode」由Chuck Berry作曲及演奏。2分38秒

新幾內亞- 男士家歌，由Robert MacLennan錄製。1分20秒

日本- 尺八「鶴の巣篭もり」（鶴巢），由山口吾郎演奏。4分51秒

德國/比利時- 巴赫「Gavotte en rondeaux」（迴旋的嘉禾舞）來自小提琴E大調第3組曲，由Arthur Grumiaux演奏。2分55秒

奧地利/德國 - 莫扎特「Die Zauberfl?te」（魔笛），第14號夜後詠嘆調，女高音莫澤爾，由巴伐利亞州歌劇院，由沃爾夫岡·薩瓦利希指揮。2分55秒

喬治亞- 合唱團「Tchakrulo」，節錄自莫斯科電台。2分18秒

秘魯- 排笛和鼓，節錄自文化之家，利馬。52秒

美國 - 憂鬱藍調，由路易·阿姆斯壯和他的樂隊演奏。3分5秒

亞塞拜然- 風笛「Ugam」，由莫斯科電台錄製。2分30秒

俄羅斯/法國/美國 -斯特拉文斯基「春之祭」古代舞，哥倫比亞交響樂團，由斯特拉文斯基指揮。4分35秒

德國/加拿大- 巴赫「平均律鋼琴曲集第二卷，C調前奏曲及賦格第一號」，由格連·古爾德以鋼琴演奏。4分48秒

德國/英格蘭-貝多芬「第五交響曲第一樂章」，愛樂管弦樂團，由奧托·克倫佩勒指揮。7分20秒

保加利亞- 「Излел е Делю хайдутин」（Izlel je Delyo Hajdutin）由Valya Balkanska演唱。4分59秒

美國 -納瓦伙印第安人，夜曲，由洛狄斯錄製。57秒

英格蘭 -安東尼·霍伯恩「仙女圍繞」來自《帕凡舞、三拍子舞蹈、德國土風舞及其他短曲調》，由大衛·門羅及倫敦古樂合奏團演奏。1分17秒

索羅門群島- 排笛，節錄自索羅門群島廣播服務。1分12秒

秘魯- 結婚曲，由高約翰錄製。38秒

中國- 古琴曲《流水》，由管平湖演奏。7分37秒

印度- 百拉米拉加「Jaat Kahan Ho」由Surshri Kesar Bai Kerkar作曲。3分30秒

美國 - 「黑暗是夜晚，寒冷是平地」，由盲眼威利作曲及演奏。3分15秒

德國/匈牙利-貝多芬「降B大調第13弦樂四重奏」，著作130，獨唱短曲，由布達佩斯弦樂四重奏演奏。6分37秒

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