飛出太陽系的探測器

06-18

1972年3月2日和1973年4月6日，NASA共發射2個，即探測木星和土星的「先驅者」10號和11號探測器。1972年和1973年發射的「先驅者」10號和11號。從此，它們踏上了沒有終點的征途。在通過木星附近時，發現木星的輻射帶強度是地球輻射帶強度的10000倍，而且它的脈動磁場延伸到土星附近，發回了木星和土星雲量的圖像，有關土星主外光環很有價值的資料，它們通過小行星帶時沒有受到損害，它們最終將飛出太陽系進入恆星際空間，它們帶有會被地外文明世界理解的「地球名片」，以期在遭遇外星智慧生命之後，能作一引見。

1973年4月6日，「先驅者」11號發射升空，這是第二個用來研究木星和外太陽系的空間探測器。「先驅者」11號探測器全長 2.9 米，設有一個直徑 2.74 米的高增益天線，在其之前再裝上一個中增益天線。至於另外一條全方位低增益天線則裝設於高增益天線接收器之下。探測器以兩個放射性同位素熱電產生器（RTG）作為能源，在拜訪木星時仍能產生 144 瓦特，但到達土星時只能產生 100 瓦特的功率。與先驅者10號不同的是，「先驅者」11號不僅拜訪木星。它還用了木星的強大引力去改變它的軌道飛向土星。它靠近土星後，就順著它的逃離軌道離開太陽系。

圖1「先驅者10」號和「先驅者11」號的模型

「先驅者10」號是迄今為止人類發射的空間考察器中飛行時間最長星際探測器。負責監控這一宇宙探測器的美國宇航局艾姆斯研究中心的科學家最近介紹說，「先驅者10」號現在相距地球96.6億千米，以飛行時速接近4.8萬千米的速度飛離太陽系，並開始向金牛星座進發。它發出的無線電信號飛行九個小時才能到達地面，它攜帶的11台微型熱核發電機目前僅有1台在工作，傳回地面的信號已極其微弱，地面上巨大的射電望遠鏡在來自宇宙各種嘈雜的聲音中勉勉強強地可分辨出探測器發回的信號。1997年之前，它還被用來訓練飛行控制員，如何接受從太空傳來的無線電信號。

2003年2月26日，美國宇航局發言人宣布，美國的航天科學家們已經無法再收到「先驅者10」號太空探測器發回的信號，考慮到巨大的花費和發回的科學數據越來越少，艾姆斯研究中心決定於2003年3月31日中斷與「先驅者10」號的一切聯繫。這標誌著這個31年前發射升空飛離太陽系的飛船最終告別了人類，同時也是繼哥倫比亞空中解體失事之後又一次重大損失。在最後一次與之聯繫時，「先驅者10號」距離地球的距離是 122.3 億公里。這一紀錄，一直保持到 1998年2月17日，那天，「旅行者1號」據太陽的距離和先驅者10號持平（都是69.419天文單位），並因為速度的優勢（每年大約多飛行1.016 天文單位）而在此後在距離上超過了後者。

在這兩顆探測器遠離太陽系時，科學家發現有一股奇怪的力量在將這兩艘太空船往回拽。不明力量使先驅者號運行速度減慢。這種無法解釋的力量被稱為「先驅者號異常」，似乎一直在影響美國宇航局發射的先驅者10號和先驅者11號飛船的運行。在飛船遠離太陽系的時候這種神奇的力量使得它們的運行速度減慢。這種力量是否源於探測器自身？它是否來自一些暗物質？還是一些物理學或萬有引力新規律在起作用？像這些的問題科學家仍舊不能給出答案。

1977年9月5日，NASA用大力神3E發射了「旅行者」1號（Voyager1，或翻譯成航海家）探測器，「旅行者」2（Voyager2）號於1977年8月20日升空，比「旅行者」1號還有要早，1979年8月7日飛越木星，1981年8月26日飛越土星，1986年1月24日飛越天王星，1989年8月8日飛越海王星。「旅行者」2號利用了176年才出一次的良機，得以行星重力加速一次去造訪四大行星。

「旅行者」1號發射後，首次在1979年1月開始對木星進行拍攝。在同年的3月5日離木星最接近，只距離木星中心349,000公里。由於在如此近距離略過，太空船在48小時的近距離飛行時間中，得以對木星的衛星、環、磁場以及輻射環境作深入了解及高解析度拍攝。整個拍攝過程最終於4月完成。在順利地藉助了木星的引力後，太空船朝土星的方向進發。「旅行者」1號本來要飛往冥王星，但是後來決定要靠近木星的衛星，而調整了行程。此次任務大幅度增加了我們對氣體行星的認識，包括大氣形態、行星環、大衛星的細節，還新發現了衛星。以至於超過了水手10號的發現。現在，旅行者1號已超越了「先驅者」10號探測器。「旅行者」1號於1980年11月略過土星，於11月12日最接近土星，距離土星最高雲層124,000公里以內。太空船探測到土星環的複雜結構，並且對土衛六上的大氣層進行了觀測。由於發現了土衛六擁有濃密的大氣層，噴氣推進實驗室的控制人員最終決定了讓旅行者1號駛近一點土衛六進行研究，並隨之終止了它繼續探訪其餘兩顆行星。結果造訪天王星和海王星的任務只得交予旅行者2號。這次靠近土衛六的決定使太空船受到了額外的引力影響，最終使太空船離開了黃道，終止了它的探索行星任務。2005年5月，NASA宣布，旅行者1號已經飛抵了太陽系的最外端地域——太陽風鞘，「旅行者」1號成了第一個進入太陽系外空間的人造航天器。

截至2007年10月12日為止，「旅行者」1號正處於離太陽101.4天文單位處，進入了日鞘，即介乎太陽系與星際物質之間的終端震波區域。如果「旅行者」1號最終在離開日球層頂後仍能有效運作，科學家們將有機會首次量度到星際物質的實際情況。依據現時的位置，太空船發出的訊號需要13個小時以上才能抵達它的控制中心，美國國家航空航天局與位於加州帕薩蒂納的加州理工學院合作的噴氣推進實驗室。「旅行者」1號在沿雙曲線軌道軌道，並已經達到了第三宇宙速度，這意味著他的軌道再也不能引導太空船飛返太陽系，在2006年9月，「旅行者」1號的方位在赤經17.051時，赤緯12.22°的100個天文單位處，也就是朝向蛇夫座飛去。2005年11月，「旅行者」1號正以每秒17.2公里的速度（即每年3.6個天文單位或時速38,400公里）遠離太陽，比「旅行者2號」速度快上百分之十，使較它早一個月發射的姊妹船「旅行者」2號永遠都不會超越它。科學家們相信太空船會於2015年到達日球層頂，即太陽系的邊緣。大約在四萬年後它會在距離鹿豹座的AC+7938881.7天文單位之處經過。

兩艘旅行者號探測器，都是以三塊放射性同位素溫差發電機作為動力來源。這些發電機目前已經大大超出了起先的設計壽命，一般認為它們在大約2020年之前，仍然可提供足夠的電力令太空船能夠繼續與地球聯繫。現在美國國家航空航天局仍然繼續每天使用深空網路追蹤太空船的位置。因電力有限，預計到2010 年，將停止掃描平台及紫外線分光計觀測，到2015年停止數據磁帶機運作（由70 m/34 m天線陣接收1.4k比特率數據的速率限制決定，這是磁帶機能夠讀取數據的最低速率。），到2016年停止陀螺儀運作，到2020年開始關閉科學儀器(直到2008年3月18日，關閉順序仍然未定，但是低能帶電粒子，宇宙射線子系統，磁強計和等離子體波子系統的儀器被期望繼續運行) ，到2025年沒有足夠電力供應任何單一儀器。最終「旅行者」1號將於與沒法聯絡的先驅者10號、已停止操作的先驅者11號及其姊妹船旅行者2號一樣，成為了一艘星際太空船。

圖2「旅行者」2號

「旅行者」2號與其姊妹船「旅行者」1號基本上設計相同。不同的是旅行者2號循一個較慢的飛行軌跡，使它能夠保持在黃道之中，藉此在1981年的時候透過土星的引力加速飛往天王星和海王星。「旅行者」2號在1977年8月20日用一枚大力神3E半人馬座火箭發射升空。由於地面的工作人員太過全神貫注於「旅行者」1號發射時出現的問題，導致忘記了傳送一個重要的啟動代碼到「旅行者」2號，使太空船關閉了船上的高增益天線。幸好地面的工作人員最終成功與船上的低增益天線取得聯絡，並重新啟動船上的高增益天線。

「旅行者」2號探測器曾對天王星作訪問，但它發現的問題比它解決得還要多。「旅行者」2號自1977年8月20日升空後，在1986年和 1989年分別成為當時惟一探訪過天王星和海王星的人類探測器。路過天王星時，「旅行者」2號拍攝到的5顆最大的環繞天王星的衛星照片顯示，它們的複雜地表顯示它們有著不同的地質過去。「旅行者」2號還探測到了另外10顆以前未曾發現的衛星以及更多的天王星圓環。天王星有11道環和18顆衛星，這使它有別於太陽系內的任何一樣東西。

圖3「旅行者」2號的飛行軌道

在2006年4月，「旅行者」2號的位置在赤經19.775時，赤緯?52.51°，朝向望遠鏡座的方向上。而截至2007年3月27日為止，旅行者2號正位於距離太陽82.30個天文單位，每年以3.28個天文單位（約每秒15.56公里）的速度離開太陽系之中。到2007年，「旅行者」2號穿越位於太陽系最邊緣地帶的邊界激波(termination shock)區，這裡是太陽系與星際空間的交界處，存在著強烈的反射波。探測器於2008年初徹底飛離太陽系，進入所謂的「太陽停止區」。因為電力有限，「旅行者」2號會陸續關閉一些儀器，預計2012年，停止迴轉運作，停止資料終端就緒運作，2016年儀器間將共享電力，2020年沒有足夠電力起動任何單一儀器。

圖4「先驅者10」號、「先驅者11」號、「旅行者」1號和「旅行者」2號的飛行軌跡

到2008年，「旅行者」2號距離地球已近100個天文單位的太陽風鞘。如此遙遠，飛船信號抵達地球時功率已非常小。有資料表明，旅行者1號發回來的信號大約是一枚普通電子錶電池功率的200億分之一。目前追蹤「旅行者」號信號的是個大的地面觀測網路。首先你必須要先定好大概的天體坐標，然後建立龐大的地面觀測網路，進行全自動跟蹤。進而，當地球上的天線能夠接收到飛船發回到地球的信號後，還必須通過一定的技術處理方法檢測出這些信號，類似放大這些信號。

「旅行者」1號和2號探測器，以及「先驅者」10號和11號探測器都攜帶著「地球名片」。和「先驅者」系列不同，「旅行者」系列攜帶的不再是簡單的「地球名片」，而是一整套記錄地球上各種典型代表意義的聲音和圖片，也就是被稱為「地球之音的」唱片。「旅行者」系列探測器上攜帶了一張銅質磁碟唱片，內容包括用55種人類語言錄製的問候語和各類音樂，旨在向「外星人」表達人類的問候。唱片有12英寸厚，鍍金表面，內藏留聲機針。55種人類語言中包括了古代美索不達米亞阿卡得語等非常冷僻的語言，以及四種中國的方言（粵語、國語、閩南語、吳語）。問候語為：「行星地球的孩子（向你們）問好」。唱片還包括了以下內容：1.時任聯合國秘書長庫爾特·瓦爾德海姆的問候；2.時任美國總統卡特的問候，內容是：「這是一份來自一個遙遠的小小世界的禮物。上面記載著我們的聲音、我們的科學、我們的影像、我們的音樂、我們的思想和感情。我們正努力生活過我們的時代，進入你們的時代。」3.一個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，其中有中國京劇和古曲《高山流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等；4.115幅影像，太陽系各行星的圖片等。人們期望，有朝一日，它們會被宇宙中的外星智慧生命截獲。那時，外星的朋友們就有可能通過這些了解到地球人的存在。

目前，美國約翰·霍普金斯大學的拉爾夫·麥克納特正與噴氣推進實驗室一起計劃一艘「創新星際探測器」(IIE)。它有望於2014年發射。它能在25年內飛到200個天文單位之處。估計太陽作用的邊界在125個天文單位之外。2040年，它將一窺星際空間。