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旧飞船从222.34亿千米外传回64KB数据,发现系外太空充斥有害粒子

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1965年,一位名叫盖瑞.弗兰多的加州理工大学研究生,在无意中发现了一条通向外太阳系的飞船航道,由此开辟出了人类历史上最伟大的一次旅行,至今为止,从这条航道发射出去的两个探测器,依旧在书写自己的传奇。这就是目前距离地球最遥远的探测器,旅行者1号和旅行者2号。为什么说这次飞行堪称伟大,我们还需要重新说回弗兰多发现的航道。


Tips:旅行者1号Voyager 1,是由美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器。重815千克,于1977年9月5日发射

在上个世纪七十年代,NASA最远只探测过火星和水星两个内太阳系行星,科学家还没有考虑过对外太阳系进行考察。其实想要加速离开太阳系说起来挺简单的,只要借助木星巨大的引力,探测器就有足够的速度进行星际旅行。经过研究,弗兰多发现,在1980年左右,木星、土星、天王星和海王星、冥王星,刚好会运行到太阳系的同一侧。也就是说,只要计算出合适的轨道,用一个探测器就可以一次性访问这些行星,而这样的机会一旦错过就要再等175年。


Tips:太阳系的形成大约始于46亿年前一个巨型星际分子云的引力坍缩。太阳系内大部分的质量都集中于太阳,余下的天体中,质量最大的是木星。

在这样的契机下,NASA开始着手准备外太阳系的探测计划,并赶在1977年发射了旅行者1号和2号,这一走就是44年。如今,旅行者1号已经脱离了太阳辐射的范围,在预计得很长一段时间里,它都会是距离我们最遥远的探测器。可惜的是,旅行者1号和2号因为电力衰减的原因,现在已经关闭了大多数科学仪器,我们也只能从传回的少数信号中,推测外太阳系的环境。

旅行者一号和旅行者二号

虽然旅行者1号和2号已经飞行了40多年,但它们距离太阳系的边界还非常遥远,根据学者的估计,旅行一号想要进入最外侧的奥尔特星云,大概还需要400多年,而离开奥尔特星云,真正脱离太阳的引力,大概需要4万年的时间。


Tips:奥尔特云是一个假设包围着太阳系的球体云团,布满着不少不活跃的彗星,距离太阳约50000~100000个天文单位,最大半径差不多为1光年,即太阳与比邻星距离的四分之一。

不过,随着电池电量的耗尽,这两颗探测器最终会变成失联的漂流者,永远与我们失去联系。到现在,旅行者1号和2号的电力系统还能维持20W左右的功率运行,相当于一个手机快充的功率。很难想象,在如此遥远的距离下,它居然还可以跟我们保持无线电通讯。NASA最近一次和旅行者一号通讯,是在2017年,工程师向它发出指令,用仅有的一点燃料进行了10毫秒的推进器点火。在这之后,为了节省电力,旅行者1号就已经和地球处于半失联状态了。


Tips:电池Battery,指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间,能将化学能转化成电能的装置。

其实按照计划,旅行者1号在2012年的时候应该向地球传回一次大小为64KB的观测数据,因为这时正好是学者预计它脱离太阳辐射的时候。但可惜的是,由于关键仪器损坏,观测无法顺利进行。直到2018年,后来居上的旅行者2号才从222.34亿千米外发回信号,人们才敢确定它们真的离开了太阳辐射的范围。


Tips:太阳辐射,是指太阳以电磁波的形式向外传递能量,太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。太阳辐射所传递的能量,称太阳辐射能。

在2018年12月的国际地球物理联合大会上,旅行者号团队终于向外界公布了这一喜讯。通过旅行者2号携带的等离子体谱仪和宇宙射线探测系统等科学仪器,他们终于确认,旅行者2号在2018年11月5日穿过了太阳的边界,也就是所谓的日球层顶。在这个边界上,来自于太阳的辐射粒子陡然下降,而来自宇宙的辐射粒子相应增多。团队通过发回的信息得知,无论是太阳系内还是太阳系外,都充满了危险的高能辐射。

传回这个信号有多不容易?

和探测完木星之后直接向外太阳系进发的旅行者1号不同,旅行者2号是迄今为止唯一一个一次性飞过木星、土星、天王星和海王星的探测器。也因此在内太阳系逗留的时间较多,才被稍晚发射的旅行者一号超越。而且旅行者1号借助的是木星的引力,所以速度比2号快出许多,到现在已经比2号多飞了25个天文单位,也就是25个地球到太阳之前的距离,在未来,这个差距会越拉越大。


Tips:日球层顶,也称为太阳风层顶,是天文学中表示出自太阳的太阳风遭遇到星际介质而停滞的边界。日球层顶半径120个天文单位,厚度0.5个天文单位。

由于时间紧迫,所以旅行者1号和2号的结构完全一致。可惜的是旅行者1号的等离子体谱仪早在1980年穿越木星的时候就坏掉了,所以旅行者2号的高能粒子探测才成为了关注的焦点。截止到2019年2月28日,旅行者号已经距离太阳分别有145和121个天文单位了。在这个距离下,以光速传播需要16.5个小时才能到达地球,而太阳的光传到地球只需要8分钟左右。而且受技术条件的限制,旅行者使用的还是模拟信号编码,每秒钟只能传递几个字符,这样下来,地球和它们之间想完成一次一来一回的交流,至少需要40个小时。


Tips:高能粒子,是现代粒子散射实验中的炮弹,是研究物质基元结构的最有用的工具几乎是粒子物理学家们唯一的工具,没有高能粒子的散射实验,近代物理几乎不会发展起来。

为了保证与地球之间的联系,旅行者号在设计之初,就选择了口径达3.7米的高增益天线,并且配备了精度极高的陀螺仪,可以用来修正天线的方向,让它时刻对准地球。

不过即便如此,旅行者1号的发出的信号还是非常微弱,毕竟目前它的功率只有20瓦,并且信号会随着距离的拉远而越变越弱。为了接受到旅行者号的消息,NASA从上世纪60年代就开始建造用于星际通信的信号接收系统,名叫深空网络。它是一个可以支持星际无线电通信和射电天文学观测的全球性天线网络,由全球三个天文台的一系列天线阵列组成。每个天线的直径可以达到70米,可以把微弱的信号放大上亿倍,是如今灵敏度最高的天线系统。尽管如此,地球和旅行者号在通信时还是避免不了延迟缓慢的硬伤。


Tips:陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。

为了保证信号频段不被干扰,旅行者1号采用了2.3GHz~8.4GHz的高频信号与地面通讯,而深空网络则选择2.1GHz信号。不过,使用模拟信号通讯还是有一个麻烦,就是它难以保证信号的准确性,所以在传递信号的同时,还要发送纠错码来校验信息。为此,旅行者一号想要传回一张大小1MB的照片,都需要花费将近半个月的时间。所以,别看这次旅行者号只是发回了一个64kb大小的文件,背后付出的代价是我们常人难以想象的。


Tips:深空网络Deep Space Network, DSN,由美国国家航空航天局(NASA)建立,成为美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)的一部分。

而旅行者2号的条件更加艰苦,在1989年飞过海王星的卫星之后,旅行者2号就已经完成了自己的使命。为了获取更加精确的信息,团队让旅行者2号近距离飞跃海卫一的北极,使它的轨道相对于行星盘向南偏转。这让地球上两个北半球的深空站已经无法捕获它的信号,只有南半球澳大利亚的70米口径天线DSS43,依旧有足够的功率和它保持联系,所以地面再也无法24小时向旅行者2号发送指令。而更糟糕的是,深空网络已经修建了50年,各种器材老化,NASA不得不在2020年3月停机维护。


Tips:海王星的大气层的化学组成以氢分子和氦为主。此外,海王星大气中还有微量的甲烷,这是使行星呈蓝色的原因之一。

在这段时间里,旅行者2号完全处于失控状态。直到10月30日,天线发射机才完成更换,NASA才又一次和旅行者2号取得联系。不过,这样的日子,可能也坚持不了多久了,因为旅行者号的电力供应已经维持不了多长时间了。

旅行者号还能坚持多久?

旅行者1号和2号都携带了十种科学探测仪器,在内太阳系,它们还可以使用太阳能电池板供电,但越过了柯伊伯带之后,太阳光已经变得非常微弱,无法提供电力,两个探测器都只能靠自带的放射性热核电池来供电。


Tips:太阳能solar energy,是一种可再生能源。是指太阳的热辐射能,参见热能传播的三种方式:辐射,主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。

这种热核电池是现在地外探测器的标配之一,比如说我国的嫦娥4号着陆器上就有同样的装置。它的发电原因也非常简单,首先,热核电池中的放射性物质会不断衰减,释放出热量,而外太空环境下是近似绝对零度的超低温,因此就可以用温差发电机来发电。不过随着热核电池放射性的衰减,它释放的能量就越来越少,大概以每年4瓦的速度递减。为了延长工作时间,旅行者号不得不关闭了大部分科学仪器。


Tips:温差发电是指利用海水的温差进行发电。海洋不同水层之间的温差很大,一般表层水温度比深层或底层水高得多。

比如说在2007年,旅行者号关闭了等离子体波探测系统,它本来是探测行星等离子流情况的仪器。在2008年又关闭了行星射电天文探测仪,它原本是用来研究木星和土星发出的电磁波信号的。2010年又关闭了紫外光谱仪,原本是用来测量行星大气性质和辐射的仪器。到了2015年又关闭了数据磁带机,它原本相当于旅行者号的缓存,关闭了它之后,旅行者号再也无法向地球发送大小超过64kb的大型文件。


Tips:等离子体是和固体、液体、气体同一层次的物质存在状态。等离子体流同气体、液体一样,遇到固体障碍物时,将被反射而改变运动方向。

而到了2020年,旅行者号已经关闭了大多数科学仪器,学者预计,到了2025年,旅行者探测器将关闭所有科学仪器,只保留无线电通讯能力,届时它就已经失去实用价值。而到了2036年,核电池就会衰减到无法支持任何设备使用的状态,我们将永远和它们失去联系。

结语

当然,作为人造飞行器的先驱者,旅行者1号身上还带着一个特殊的使命,就是向可能会碰到它的外星人传递我们的情况。在旅行者1号上还带着一张铜制镀金唱片,里面还配备着用金刚石做唱针的留声机。这张唱片里录制着人类55种语言的问候语,以及各类经典乐曲。这个唱片可以保证在十亿年内丢失的数据不超过1%,也许会成为人类在这个世界上保存最久的文明遗迹。


Tips:核电池它通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。

另外,磁盘上还有115副影像,包括太阳系的位置,人类外貌等等信息。另外,唱片的封套上还有一块高纯度的铀238,它的半衰期为41.7亿年。如果发现它的外星人捕获了探测器,就可以通过半衰期检测,推测出它发射的大概时间。不过,到了现在,已经有非常多的科学家对当年发出的问候忧心忡忡,比如说霍金就认为人类不应该主动去寻找外星人,因为它如果能发现人类发射的问好信息,并来到地球,就说明人家的科学技术远远高于我们,人类在外星文明面前根本不堪一击。


Tips:斯蒂芬·威廉·霍金Stephen William Hawking,出生于英国牛津,英国剑桥大学著名物理学家,现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。

至于这些文明有没有更加高尚的道德,谁也不敢保证,我们也不应该拿自己的命运去赌外星人的人品。所以,这颗当初满载人类希望的老伙计,说不定会在未来给人类闯下大祸。不过到现在为止,我们应该还是安全的,旅行者探测器还要再过4万年的时间,才能进入其他星系,我们还有很多的准备时间。也许到了以后,我们掌握了更先进的动力系统,说不定会追上旅行者一号拿回这些送给外星人的礼物。

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