天文基礎知識第11章

千百年來，人類一直嚮往能插上翅膀，飛出地球，探索宇宙的奧秘。在古代，嫦娥奔月的神話表達了人們飛向月球的願望。李白曾在詩中寫道：「俱懷逸興壯思飛，欲上青天覽日月」。但是，當時科學技術落後，脫離地球的引力束縛去太空旅行只是一個難圓的夢。

斗轉星移，歲月如梭。人類經過不斷開拓進取和不懈努力，科技發展日新月異。1923年H. 奧伯特論述火箭飛行原理的經典著作《飛往星際空間的火箭》出版，齊奧爾科夫斯基在1924年論述多級火箭的專著出版。火箭靠自身的燃料燃燒噴出氣體的反作用力飛行。人類要進行星際探索，就必須藉助於火箭。如果物體達到7.9千米/秒的速度，就可以圍繞地球運行而不落下來，這時，它的離心力等於地球的引力。這個速度就是第一宇宙速度。如果速度達到11.2千米/秒，我們就稱它為第二宇宙速度，可以擺脫地球引力束縛在太陽系內飛行，但不能擺脫太陽的引力控制。當速度大於16.7千米/秒的速度，就可以飛出太陽系了，這就是第三宇宙速度。

1957年10月4日，前蘇聯第一顆人造衛星上天，拉開了人類航天時代的序幕。第一位進入太空的人，就是大名鼎鼎的前蘇聯宇航員加加林。1961年4月12日，他乘坐「東方號」宇宙飛船環繞地球飛行一圈，歷時108分鐘，寫下了人類航天飛行的新篇章。

月球是距離地球最近的天體(約38萬公里)，是人類進行太空探險的第一站。前蘇聯1959年發射的月球2號探測器在月球著陸，這是人類的航天器第一次到達地球以外的天體。同年10月，月球3號飛越月球，發回第一批月球背面的照片。1970年發射的月球16號著陸於豐富海，送回地球100克月球土壤。

美國人也不甘落後，在20世紀60年代開始了雄心勃勃的征服月球的「阿波羅」計劃。它的目的就是登上月球進行實地考察。在此之前的1961年到1967年間，9個「徘徊者」探測器,7個「勘探者」探測器以及5個月球軌道器先後對月球進行考察。它們拍攝了照片並分析了月球的土壤，為登上月球做準備。緊接著，「土星」5號運載火箭先後向月球發射了17艘「阿波羅」飛船。其中，「阿波羅」1－3號是試驗用的飛船，4－6號是無人飛船，7號飛船載人繞地球飛行，8－10號載人繞月飛行，11號至17號是載人登月飛行。讓我們來重溫當時激動人心的場面吧！

1969年7月16日，美國「阿波羅11號」飛船，載著阿姆斯特朗，奧爾德林和柯林斯三人在美國肯尼迪航天中心升空，飛向月球。到達了月球軌道後，由柯林斯駕駛飛船繞月飛行，而阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛登月艙於7月20日在月面靜海降落。阿姆斯特朗第一個登上月球。他說出了下面這段意味深長的話：「對於一個人來說，這只是一小步；但對人類來說，這是巨大的一步。」他們在月面上進行實地科學考察，並把一塊金屬紀念牌插上月球，上面鐫刻著「公元1969年7月，來自行星地球上的人首次登上月球。我們是全人類的代表，我們為和平而來。」他們在月球上安裝了測量月震的月震儀，採集了月球岩石和土壤。在完成月面考察任務以後，進入登月艙，離開月球回到月球軌道上的指令艙中，與柯林斯匯合後開始返回地球，完成了這一史無前例的航天飛行。在此之後，又有5次成功的登月飛行，宇航員們總共在月球上停留了約300小時，使人們對月球的認識大大加深了。

1994年，美國發射了「克萊門汀」號無人駕駛飛船，對月球進行了新的地貌測繪，為在不久的將來建立月球基地和月基天文台作準備。

1998年1月6日發射升空的「月球勘探者」，攜帶中子光譜儀探測氫原子。最終發現在月球兩極的盆地底部存在水。

人類對於未知世界的探索是永無止境的。人們並不滿足於對月球的了解，目標又轉向 了太陽系中的大行星。我們先來介紹空間探測器對金星的考察。

金星的半徑、質量、密度等與地球接近，是地球的姐妹行星。人們對它的興趣很大，然而，地面觀測所得的資料比較貧乏，對金星的研究充滿了未知數。航天器可以使人們了解它更多的信息。在經歷了最初的幾次探測器發射失敗後，終於逐步揭開金星神秘的面紗。1962年美國發射的水手2號從距金星35000千米處飛過，實現了航天器首次飛越行星，同時發現了金星有400度的高溫。1969年至1981年，前蘇聯的金星5號至14號探測器先後在金星表面著陸成功，執行了多項科學考察任務，包括拍攝金星表面照片、了解大氣的成分、溫度、壓力等。美國1978年5月20日發射的先驅者－金星1號經過長途跋涉，於同年12月4日到達金星並圍繞它飛行，用雷達探測金星地形。先驅者－金星2號到達金星後放出4個探測器，在落向金星的過程中，了解大氣、雲層、磁場等數據。1989年美國發射的「麥哲倫號」探測器又運用綜合孔徑雷達對金星表面進行探測。這些探測使我們了解到金星的磁場很弱，表面氣壓是地球海面氣壓的90倍等情況。另外，一個有趣的現象是金星12號在距離金星表面10公里時探測到閃電，著陸後又多次記錄到閃電。

距離太陽最近的就是水星了。美國發射的「水手10號」飛船在考察了金星之後，3次飛臨水星。它發現了水星的磁場和磁層，探測了水星大氣的主要成分是氦。飛船上的兩個攝像機拍攝了多幅圖象，揭示了水星地形，有大量的隕石坑和盆地。

火星的名字「Mars」是戰神的意思。它在天空中呈現紅色，使人們聯想到血和戰爭。火星很像地球，有堅硬的表面和四季的交替。當初人們用望遠鏡觀測它時，發現了火星上的許多條紋，這些條紋曾經被人們認為是火星人挖掘的運河，同時它還擁有隨四季變化的極冠。因此，人類對探測火星一直抱有濃厚的興趣，希望在上面發現火星人。在人類進入航天時代以來，已經有20多艘飛船執行探測火星的任務了。星際探測是充滿曲折的。1962年前蘇聯發射的「火星1號」、「宇宙21號」和美國的「水手3號」均遭到了失敗。然而失敗是不能阻止人類探索大自然的腳步的。1964年1月28日發射的「水手4號」經過長途跋涉，於1965年7月14日在距離火星的一萬公里高空掠過，獲得了第一批火星照片。1974年，前蘇聯發射的「火星5號」宇宙飛船首次拍攝了火星的彩色照片。美蘇又發射了繞火星運動的軌道器，更加詳細地了解這顆行星的情況。

「欲窮千里目，更上一層樓」。1976年，美國的海盜1號和海盜2號登陸器更進一步，分別在火星上降落，並在降落的過程中，測量了大氣溫度的分布情況，火星大氣壓的情況。火星上有乾涸的河床，有流水衝擊的特徵,這表明在過去有過大量的水。那麼，火星上有沒有生命呢？海盜號飛船作了幾種實驗,結果表明沒有光合作用產生的物質交換，火星大氣和表層物質中沒有有機分子。攝像機監視了火星上有無生命活動的跡象,結果令人失望。可以這麼說,火星表面現在沒有生命,或者更嚴格的說,沒有與地球上類似的生命。

人們不僅對火星感興趣，也對火星的兩個衛星感興趣。在1988年，7月7日和7月12日，前蘇聯發射了火衛飛船1號和2號繞火衛一飛 行並著陸。

到最近幾年，隨著科技的飛速發展，人們可望在21世紀直接登上火星進行實地考察，徹底弄清火星生命問題。因為它是太陽系中最有可能存在生命的星球。在人類踏上火星之前，將進行一系列的準備。

1993年美國「火星觀察者」探測器在進入環繞火星的軌道之後，與地球失去聯繫，導致計劃失敗。

1996年12月，美國又發射了「火星探路者」探測器，經過7個月的星際飛行，在火星的阿瑞斯平原著陸。火星探路者攜帶了一個六輪小車，可以在火星的表面漫遊，因而叫做火星漫遊者，價值2500萬美元。它分析了火星岩石和土壤。照片證實了海盜號的結論，火星上曾發生過大洪水。

1996年11月美國發射了「火星全球勘測者」，在繞火星的軌道上研究火星表面、大氣和磁場的情況。它還向地球發射無線電波，經過火星大氣後到達地球，由此了解火星大氣的溫度、引力和化學組成。

1999年1月3日，火星極地著陸器發射成功。然而，在飛行了11個月並登陸到火星上以後，就與地面失去了聯繫，宣告了這次航天活動的失敗。

2001年，美國發射奧德賽火星探測器。奧德賽於同年10月到達火星，其主要任務是在火星上尋找水或冰，並對環境進行研究。

2003年，歐洲航天局發射火星快車探測器，探測器於2003年到達火星。

2003年美國發射勇氣號和機遇號兩枚探測器，2004年1月3日勇氣號登陸火星。2004年1月24日機遇號在不同區域登陸火星，探測計劃取得圓滿成功。

歐洲空間局計劃於2003年發射"火星快車"探測器考察火星，這標誌著歐洲空間局在行星探測方面跨入了新紀元。它將由軌道器和著陸器組成。軌道器上有一個著陸器通信包用於支持國際上在2003年至2007年間開展的火星探測活動。

從火星再向外，就是行星之中的龐然大物-木星了。美國的「先驅者10號」1973年12月4日在木星附近飛過，傳來了木星和木衛的照片。它最後在1983年越過海王星軌道後成為飛出太陽系的第一個人造天體。接著，「先驅者11號」、「旅行者1號」、「旅行者2號」也相繼飛越木星和木衛。在旅行者飛船拍攝的木星黑夜半球的圖象上可以看到極光。有趣的是，在木衛一上發現了正在噴發的火山，噴發的高度達到30公里， 速度是每秒幾百米到1公里。伽利略號飛船觀測的結果顯示木衛二和木衛四表面之下存在液態水海洋，有可能有生命存在，這無疑是一個令人興奮的消息。

「旅行者」飛船還發現了土星有射電輻射，頻率在3千赫到1.2兆赫之間。1986年1月，「旅行者2號」飛船又測出天王星的自轉軸和磁軸有很大的交角，達60度。飛船還拍攝了天王星衛星的照片，然後又拜訪了海王星，發回了照片。

值得一提的是，「先驅者」10號、11號攜帶了相同的地球名片-鍍金鋁板，上面有一男一女的裸像，以及太陽與九大行星位置的圖象，同時表明它是從太陽系中第三顆行星上飛出去的。「旅行者」1號和2號探測器，各自帶有一套「地球之聲」的唱片，唱片上有照片、60種語言的問候語、35種各類聲音和音樂。其中包括中國長城和中國人家宴的照片，粵語、廈門話和客家話，音樂中有中國的「流水」。人類希望有朝一日它們能被「外星人」收到。

宇宙飛船不僅僅用於對太陽系內的大行星及衛星進行近距離觀察。1985－1986年哈雷彗星回歸過程當中，有5艘飛船對它進行了近距離觀測，有許多令人驚奇的發現。例如，哈雷彗星的核並非人們想像的球狀，而是橢球狀，氣體和塵埃從核的表面幾個活動區域噴出。

歐洲空間局計劃對7個短周期彗星進行空間探測。它們是「深空1號」（DS1）計劃、「星塵」計劃、「等高線」計劃「羅塞塔」計劃、「深空4號」（DS4）計劃。其中DS1和DS4計劃是與美國國家宇航局合作的。

於1998年10月發射的「深空1號」飛船，飛越小行星3352號McAuliffe、火星、以及威爾遜－哈林頓彗星。飛船與彗星於2000年6月相遇。DS1將以約15公里/秒的速度距彗核約500公里處飛過，對彗發、彗核進行觀測。它首次採用了離子發動機。

「星塵」在1999年2月發射，飛向懷爾德－2彗星，並將首次帶回珍貴的彗星樣品。

「羅塞塔」將於2003年發射，對Wirtanen彗星及其環境進行長達近兩年的仔細研究。9年之後，飛船與彗星相遇，總重20公斤的儀器將降落在彗星表面。這些儀器將採掘彗星表面和近表面樣品進行研究，並用 聲波法探測彗星內部結構，研究周圍等離子體與太陽風相互作用等。

「深空4號」飛船於2003年4月發射，於2005年12月進入環繞Tempel1彗星的軌道，並於2006年4月將著陸器送上彗星表面作實驗。最後，將彗星表面下不同深度的物質分裝在3個不受外界影響的密封金屬罐內，由著陸器的上半部將樣品送回飛船。飛船於2010年5月將樣品送回地球。

宇宙飛船不僅頻頻遠征，在近距離的地球軌道上也有許多衛星在為人類執行不同的任務。例如，通訊衛星及時傳播世界上的訊息，資源衛星為人們尋找礦藏，氣象衛星使天氣預報更準確，軍事衛星卻使現代戰爭延伸到了太空。在1981年發射了世界上第一顆紅外天文衛星。對於天文學上有重要意義的事件是1990年4月25日由美國「發現」號太空梭送入太空的哈勃空間望遠鏡(HST)。它的目的是探測宇宙深空，了解宇宙起源和各種天體的性質和演化。儘管HST耗資21億美元，但對天文學特別是天體物理學的推動是巨大的。在空間放置望遠鏡可以擺脫大氣的干擾，沒有大氣消光的問題，同時因為沒有大氣，設計的望遠鏡可以達到衍射極限。它的鏡面不受重力的影響，不會變形，望遠鏡有極高的解析度。它是人類的千里眼，探索宇宙奧秘的利器。

以上提及的主要是美國和俄羅斯在航天領域取得的成就,那麼,我國的情況是怎樣的呢？

我國在航天領域也有舉世矚目的成就。中國老一代航天科技工作者發揚中華民族勤勞智慧的傳統美德，堅持獨立自主、艱苦奮鬥的方針，研製出了「長征一號」火箭，於1970年4月24日在酒泉發射了我國第一顆人造地球衛星-東方紅1號，從此進入了航天大國的行列。

建國50年來，我國航天工業取得了長足的進步。讓我們來簡要回顧我國的航天歷史吧。1964年7月19日，成功發射了一枚生物火箭。1966年10月27日，導彈核武器發射試驗成功。1975年11月26日，發射了一顆返回式人造衛星，3天後衛星按預定計劃返回地面。這使得我國成為世界上第三個掌握衛星返回技術的國家。1980年遠程運載火箭發射成功。2年以後，潛艇水下發射運載火箭獲得成功。1984年4月8日，我國第一顆地球靜止軌道試驗通信衛星發射成功。1986年2月1日，我國發射了一顆實用通信廣播衛星。20日，衛星定點成功。這標誌著衛星通信進入實用階段。1988年9月7日，中國發射了一顆試驗氣象衛星「風雲1號」。這是我國自行研製和發射的第一顆極地氣象衛星。1990年4月7日，我國的「長征3號」火箭把美國製造的「亞洲一號」通信衛星送入預定軌道，取得了為國外發射衛星的成功。中國載人航天工程1992年啟動。1999年11月20日，在酒泉衛星發射中心用運載火箭發射了「神舟號」試驗飛船，21日在內蒙古安然著陸，為我國的載人航天事業邁出了重要一步。中國首位航天員楊利偉乘坐的「神舟」五號載人飛船,於北京時間2003年10月15日9時,在酒泉衛星發射中心成功升空。按照預定計劃,飛船繞地球飛行14圈後,於16日清晨返回。這標誌著中國載人航天技術有了新的重大突破。2005年10月17日凌晨4時33分，在經過115小時32分鐘的太空飛行，完成我國真正意義上有人參與的空間科學實驗後，神舟六號載人飛船返回艙順利著陸，航天員費俊龍、聶海勝安全返回。神舟六號載人飛船是10月12日9時許在酒泉衛星發射中心發射升空的，這是我國第二次進行載人航天飛行，也是第一次將我國兩名航天員同時送上太空。載人航天技術是航天領域中技術難度最大的，在此之前，只有美國和俄羅斯章握該項技術。在2010年以前，我們的宇宙飛船將有可能訪問月球。2020年左右，我們將建立自己的空間站。然而，在取得累累碩果的同時，我們應該清醒地看到與美、俄兩國存在差距，特別在星際探索領域有較大差距。我們期待我國航天工業再接再厲，創造新的輝煌！

到目前為止，人類只登上了月球，這不能不說是一個小小的遺憾。展望21世紀，人類將插上科技的翅膀，在更加廣闊的宇宙太空縱橫馳騁！