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旅行者1号远征星际  

本文作者:老孙

9月12日,美国航空航天局发布消息确认:“旅行者号已经到达了从来没有探测器到达过的空间,这是人类科学发展史上的里程碑。”此时,旅行者1号已在宇宙空间航行了36年,离地球接近190亿公里,成为进入寒冷黑暗的星际空间的第一个人造物体。对于这次星际迷航,科学家埃德?斯通说:这开启了一次历史性探索,意义相当于人类第一次绕地飞行、第一次登月。

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旅行者1号可能已迈进了星际空间

古曲 《流水》 遇知音

如果地球文明甚至太阳系被某种未知原因毁灭,还有什么能证明人类曾经存在过,并创造了如此辉煌的文明史?

女作家安?德鲁彦(Ann Druyan)可能从来没有想过,这样一个关乎永恒的问题,竟然给她带来了爱情,这份爱情见证还被“旅行者1号”和“旅行者2号”带到了外太空,发送给可能存在的外星人。这个后来成为她丈夫的人就是卓有成就的行星天文学家、科普作家兼美国航空航天局(NASA)的科学顾问卡尔?萨根(Carl Sagan)。

萨根是纽约俄罗斯裔犹太移民的后代,父母虽然没有什么文化,但很重视孩子的教育,让他从小拥有了良好的科学素养。1939年,父母带着5岁的萨根参观了纽约世界博览会。在世博会上,他目睹了“西屋时间胶囊”(Westinghouse Time Capsule)的掩埋仪式。这个胶囊和1964年埋下的“时间胶囊2号”将于6939年被打开。

卡尔?萨根从一开始就参与了美国的太空计划。从1950年代起,他就成为NASA的科学顾问。除了准备月球和太阳系航天器的实验项目,萨根还在航天器上加载了自己的“时间胶囊”,1972年发射的太空飞船先驱者10号、1973年发射的11号上都携带了一块铝制的镀金铭牌,上面刻下了人类的形象及地球在宇宙中的位置。

1977年,美国航空航天局“旅行者项目”人事部门要求萨根“为可能遇到的外星文明准备一些信息”。萨根为此召集了一个小型委员会,准备“第一次接触”。安?德鲁彦回忆说,“当卡尔首次向我和蒂姆?费里斯提出这个项目那一刻,感觉就像一个神话。”

1970年代流行的信息记录技术是一种8轨磁带。这不是个好选择,因为磁带容易降解,尤其是来自空间的辐射和磁场会迅速消解磁带上的信息。后来一生致力于寻找外星文明信号的射电天文学家弗兰克?德雷克提出制作一张金属唱片,因为唱片这种古老技术被外星人理解并解读的可能性相当大。只要进行合适的屏蔽,金属唱片上的蚀刻信息能够保存几百万年。在一次餐桌会议上,委员会最终决定选择90分钟的乐曲和100张左右的照片,作为与外星文明第一次接触的见证。

在语言问候方面,萨根求助于康奈尔大学外语系,收集了从最古老的苏美尔语到一个5岁美国孩子所说的共计55种语言的问候。在西方音乐中,贝多芬的《第五交响曲》(命运)、查克?贝里的摇滚《强尼?B?古德》入选,披头士乐队虽然非常希望把《太阳出来了》送上太空,但因为乐队没有这首歌的版权而作罢。

中国音乐方面,担任创意总监的安?德鲁彦经过艰苦搜寻,找到了流传2500年的古曲《流水》(演奏者是中国古琴演奏家管平湖),激动之余,她给萨根打电话报告这个消息,由于萨根不在,她在答录机上留了言。此前他们只是工作上的熟人和朋友,仅此而已。一小时后,萨根回了电话,通话结束时,他向安提出求婚,安答应了。安回忆说:“我一放下电话,就尖叫着跳了起来。”这是1977年6月1日。

沉浸在爱情甜蜜中的安又提出了一个新的想法,录一段脑电波的声频文件放在唱片中,算是给未来先进的外星文明出一道题,看看他们能否破译脑电波里的想法。这个提议深获萨根和其他委员的欢心,他们鼓动安亲自来录制。于是这个27岁的年轻女人的脑电波与联合国秘书长和美国总统的问候、鲸和狗的叫声以及116张照片、90分钟的音乐在两个多月后被旅行者1号、2号送入太空。卡尔?萨根主持设计的“金唱片”成为人类对外星交流史上重要的“时间胶囊”,其中内容被他收集整理为《地球之音》(Murmurs of Earth)。在后来的日子里,安?德鲁彦和卡尔?萨根共同创作了史上最受欢迎的科普电视片《宇宙》,合写了几本科普著作。他们于1981年结婚,相伴终生,直到1996年卡尔去世。

“水手”升级变“航海家”

旅行者项目的诞生可谓天时、地利、人和。

1977年的美国已经在太空竞赛中遥遥领先于冷战对手苏联。20年前(1957年10月4日),苏联石破天惊地发射了人类历史上第一颗人造卫星斯波尼克(Sputnik),人类正式进入太空时代。为了应对来自“头顶上”的威胁,艾森豪威尔总统下令成立美国航空航天局,统筹航天相关技术和计划。1961年4月12日,苏联宇航员加加林成为第一个进入地球轨道的人,苏联再度领先。5月25日,美国总统肯尼迪在演说中声称美国应该在10年之内“把宇航员送到月球上并安全返回”,确定了首先登陆月球的目标。1969年7月20日,尼尔?阿姆斯特朗和巴兹?奥尔德林乘坐阿波罗11号登上月球。到1972年为止,共有12名宇航员登上月球。

美苏双方实行不同的航天体制。苏联的航天计划由国家通过军方秘密掌控,军方拥有并经营所有的发射场、地面控制中心和太空活动,这种军事依赖导致了航天工业完全基于国内工业水平,与民用部门和国际隔离。1966年总工程师科罗廖夫去世后,苏联航天战略一度失去了方向。NASA虽然和军方渊源甚深,在项目合作上双方多有相互支持,但美国1958年通过的“空间法”确立了航天工业的民用性质,把众多的基础工业分散到多个公司甚至国际公司去,充分利用整个西方世界的智力资源。这是导致双方发展后劲不同的根源。

在阿波罗登月计划的同时,NASA喷气推动实验室制定了雄心勃勃的探测太阳系的“水手计划”(Mariner program),对近邻行星展开近距离观测。水手号探测器是在徘徊者月球登陆探测器基础上改进而来的。“水手计划”共发射了8艘探测器,对火星、金星、水星进行了成功的探测。尤其是水手10号连续观测了金星和水星,是第一艘观测两颗行星的探测器,利用的是“引力弹弓”技术。

引力弹弓,也叫作引力加速技术,即当航天器进入一个行星引力场时,会被引力场加速或者减速,从而改变其轨道和速度。早在1919年和1925年,科学家尤里?康德拉图克和弗里德里希?詹德已经提出类似的构想。但他们没有意识到,行星沿飞行器轨道施加的引力助推能够推动飞行器,从而减少行星际航行的燃料消耗,后面这个设想是喷气推动实验室23岁的研究生迈克尔?米诺维奇(Michael Minovitch)在1961年提出来的。1974年2月,水手10号从距金星5760公里处飞过,在金星引力帮助下朝水星前进,离水星最近时只有700公里,其后进入太阳轨道。在一年多时间里,水手10号一共对水星进行了3次观测,拍摄了一万多张图片,覆盖水星表面的57%。这是人类第一次近距离观测水星,直到2011年,信使号才再次访问水星。

在制定太阳系远处的气体巨行星(木星、土星、天王星、海王星)以及冥王星的观测计划时,喷气推动实验室遇到了困难,即使用当时威力最大的大力神3号-半人马座火箭,也要花相当长的时间:到天王星需要16年,到海王星需要30年!漫长的时间足以让任何组织放弃这样的计划。

幸运的是,1965年当分析专家盖瑞?弗兰德罗(Gary Flandro)进行木星任务研究时发现,这几颗大行星将进入一个罕见排列结构。借助引力弹弓技术,探测器飞行经过太阳系所有的大行星只需要9年!每经过一颗行星,就能够增加一次速度,更快地飞向下一颗行星。这种排列176年才会出现一次,最近的发射日期就在12年后。这个时间对科学家们精心准备来说足够长,而作为科学目标来说又足够近,机会实在太好了,令人无法拒绝。

喷气推进实验室主任皮克林(William H. Pickering)提议打造一个探测小分队,两颗按照木星—土星—冥王星的路线走,另外两颗按照木星—天王星—海王星的路线走,但因经费削减,调整为两颗,即把水手11号、12号命名为“航海家1号”、“航海家2号”,由于翻译习惯,我们称之为旅行者1号和旅行者2号。

与此同时,NASA还提出两项支持计划。一项是前面提到的水手10号,在金星和水星之间进行引力弹弓技术实验。另一项是由埃姆斯研究中心(Ames Research Center)继续执行的先驱者计划。用先驱者10号、11号作为旅行者计划的先导,验证通过火星和木星轨道之间的小行星带时,微小天体对航天器的威胁程度,检验木星磁场对航天器的威胁。先驱者10号、11号于1972年、1973年发射,经过木星加速飞向土星,它们是第一批拜访木星和土星的探测器,1989年它们越过了冥王星轨道,飞向更深的太空。它们都携带着萨根设计的地球名片。

确认技术成熟和旅途安全之后,旅行者1号和2号也在1977年起航了。

旅行者1号和2号的位置示意图pia17048twovs_0

外太阳系风光

1977年8月20日,旅行者2号从佛罗里达州的卡纳维拉尔角由大力神3号E-半人马座火箭首先发射,9月5日,旅行者1号也成功发射升空,开始了它们光荣而漫长的遥远征程。虽然旅行者1号比2号发射要晚半个月,但它进入了运行轨道速度更快,所以在当年12月就赶上了2号,并率先于1979年到达木星。之后由于有效的引力弹弓效应的加速作用,旅行者1号的飞行速度比现有任何一个飞行器都要快,从而成为离太阳最远的航天器,超过了先驱者10号和11号。

旅行者2号飞行速度较慢的飞行轨迹,但也“因祸得福”,能够保持在黄道面(即太阳系众行星的轨道水平面)上,借此在1981年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星,成为第一艘造访天王星和海王星的航天器,完成了藉这个176年一遇的行星几何排阵而造访4颗气态巨行星的机会。旅行者1号则早早地偏离了黄道面。

旅行者1号、2号装有广角和窄角电视摄像机,带有直径3.7米的大型高增益天线,发射质量815千克,有16台小型发动机,可精确调整其姿态,从而能更加细致地观测目标行星。

1979年1月,旅行者1号首次开始对木星进行拍摄。同年的3月5日,它飞行至距离木星中心349,000公里的最近点。由于从如此近距离掠过,以及高清的相机分辨率,这位“航海家”在48小时的近距离飞行中,得以对木星的卫星、环、磁场以及辐射带作深入了解及高分辨率拍摄。整个拍摄过程最终于同年4月完成。

旅行者1号对木星及其卫星的观测有了不少重要发现,发现了新的卫星、辐射带性质,而且发现了木星竟有前所未见的行星环,环非常细小暗弱,地面望远镜难以发现。最令人惊讶的是在木卫一上发现了火山活动。这是在地球上从未观察到的,就连先驱者10号及11号也未观察到。木卫一的活动能量来自木星巨大的潮汐引力。

借助木星的引力作用,旅行者1号加速朝土星的方向进发,于1980年11月掠过土星,距离土星最近不到124,000公里。旅行者1号探测到美丽的土星环的复杂结构,并且对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层,喷气推进实验室的控制人员最终决定让旅行者1号驶近土卫六,这个决定也让它的轨迹向北偏离黄道面,造访天王星和海王星的任务只得交给旅行者2号。

离开土星之后,旅行者1号执行拍照任务已经很少了。1989年,它已越过相当于冥王星轨道,位置在黄道偏北32度。在1990年情人节,它拍下了最后一批照片,这就是著名的暗淡蓝点与太阳系全家福。

暗淡蓝点,圈内即为我们所居住的地球PaleBlueDot

【暗淡蓝点,圈内即为我们所居住的地球】

卡尔?萨根多年以来就有这样的想法,让“航海家”在将要离开太阳系之前,回望一眼地球。关于地球的著名照片有两张,一张是1968年阿波罗8号在月球上拍摄的“地出”,地球从月球上方升起;另一张是1972年阿波罗17号前往月球途中回望地球,苍茫的非洲大地和云系清晰可见。这两张照片让人们看清了地球只是一颗普通行星,这是人类认识自我的伟大成就。

萨根希望旅行者1号在太阳系边缘回望地球再拍摄一张照片,让人类退后一步,看清地球其实只是浩瀚宇宙中的一个毫不起眼的小不点。但拍摄这张照片阻力很大。首先这时候旅行者1号任务已进入尾声,工作人员陆续离开;而且这时地球离太阳非常近,镜头指向过于靠近太阳,可能会受到损害;要拍摄照片就需要把任务期延长6个月,花费也不菲。萨根多次呼吁无果。1989年,他抓住机会最后一次提出呼吁,并将他的愿望告知当时美国宇航局局长、海军上将理查德?特鲁利。海军上将被萨根说动,批准这个动作。当时旅行者1号距离地球40亿公里,拍摄照片的时间是1990年2月14日。

喷气推进实验室的行星天文学家康迪斯?汉森-科哈彻克(Candice Hansen-Koharcheck)是第一个见到这张照片的人。那天下午她独自一人在办公室,拉上窗帘,屋里一片漆黑,她说:“我知道数据已经送回来了,我想看看它是什么样。”她找到了它。它看起来只有两三个像素大小。(实际上)由于镜头几乎正对着太阳,支架反射的一缕光线正好笼罩住这个光点。康迪斯第一感觉是脊背发冷。但这就是我们的地球。旅行者1号也替金星、木星、土星、天王星、海王星拍摄了类似的照片,从而构成一幅太阳系全家福。因为位置和太阳的影响,无法拍摄到水星和火星。

根据这张照片,萨根后来写成了科普名著《暗淡蓝点》。他说:

再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。

在浩瀚的宇宙剧场里,地球只是一个极小的舞台。想想所有那些帝王将相杀戮得血流成河,他们的辉煌与胜利,曾让他们成为光点上一个部分的转眼即逝的主宰;想想栖身于这个点上的某个角落的居民,对别的角落几乎没有区别的居民所犯的无穷无尽的残暴罪行,他们的误解何其多也,他们多么急于互相残杀,他们的仇恨何其强烈。

我们的心情,我们的妄自尊大,我们在宇宙中拥有某种特权地位的错觉,都受到这个苍白光点的挑战。在庞大的包容一切的暗黑宇宙中,我们的行星是一个孤独的斑点。由于我们的低微地位和广阔无垠的空间,没有任何暗示,从别的什么地方会有救星来拯救我们脱离自己的处境。

地球是目前已知存在生命的惟一世界。至少在不远的将来,人类无法迁居到别的地方。访问是可以办到的,定居还不可能。不管你是否喜欢,就目前来说,地球还是我们生存的地方。

有人说过,天文学令人感到自卑并能培养个性。除了这张从远处拍摄我们这个微小世界的照片,大概没有别的更好办法可以揭示人类妄自尊大是何等愚蠢。对我来说,这强调说明我们有责任更友好地相处,并且要保护和珍惜这个淡蓝色的光点——这是我们迄今所知的惟一家园。

太阳系全家福voyager1_solar-system-family-portrait

【太阳系全家福 点击可查看宽度为4000像素的大图】

告别太阳风

拍摄完太阳系全家福之后,为了节约能源,喷气推进实验室关闭了旅行者1号的相机,并删除了相关数据和程序。因为不需要它继续拍摄星空了,而且观测星空的话,今天地球上的业余望远镜就能做得更好。虽然旅行者1号探测行星的主要任务已经结束,但另一项任务仍在持续,即对太阳风进行粒子测量,尤其要寻找太阳风顶。

所谓太阳风,即从太阳表面吹出的高速粒子和磁场。在太阳表面,风速可达750公里/秒(每小时百万公里)。随着太阳风向宇宙空间扩散,速度会逐渐降低,最终与星际空间的气体相遇,形成所谓的日鞘层,鞘层以内由太阳风主导的区域称为日球层。太阳物理学家猜测,在日鞘层附近,太阳风速度逐渐降为零,来自银河系的星际风逐渐占据主导。

旅行者1号携带着粒子能量探测器、磁力计、射电等离子波探测器和紫外探测器,用于探测太阳风粒子的能量和磁场方向。从粒子成分和能量变化,以及磁场的方向可以判断日鞘层的位置。只是这一区域的存在之前完全是凭理论推测,还没有航天器涉足。从2010年起,旅行者1号探测器发现了太阳风粒子速度停止的迹象,从6月起,太阳风的读数一直为零。2012年6月,科学家分析认为,旅行者1号已经到达了太阳风的边缘,即将进入星际空间。

这一消息公布后,被媒体解读为旅行者1号“即将离开太阳系”,引起了普遍轰动和持续关注。这究竟是NASA的口误,还是媒体的误读,不得而知。其实长久以来,天文学家也一直在争论太阳系究竟有多大。太阳只是银河系里一颗中等偏小的普通恒星,离我们最近的比邻星半人马座阿尔法也有4.3光年。太阳系的范围不仅包括八大行星和小行星带,还有冥王星所在的柯伊伯带(30~50天文单位。1天文单位=1.5亿公里)。而且天文学家猜测,更远处还有奥尔特云(5万~10万天文单位)。柯伊伯带和奥尔特云是彗星的发源地。中国探月总工程师欧阳自远院士指出,太阳系的范围应该是15万亿公里(10万天文单位)至30万亿公里(20万天文单位)。

而日球层的大小,也就是太阳风能够抵达的确切位置,科学家们并没有把握,只有太阳粒子数量的减少、磁场方向的变化和银河宇宙线数量的增多,能够告诉他们旅行者1号究竟是否穿透了日球层顶(heliopause),也就是太阳等离子体与星际空间等离子体的边界。

2013年9月12日,NASA发布消息确认:“旅行者1号已经到达了从来没有探测器到达过的空间,这是人类科学发展史上的里程碑。”

旅行者1号上等离子波科学设备的首席研究员、美国艾奥瓦大学的唐?古内特(Don Gurnett)及其团队,提供了2013年4月9日到5月22日之间的电子等离子体振荡的测量结果,当时旅行者1号所处的空间区域里,电子的密度大约为每立方厘米0.08个。而按照现有的模型,星际介质的电子密度应该介于每立方厘米0.05到0.22个电子之间。他们在回顾历史数据时,发现2012年11月电子密度大约是每立方厘米0.06个。

不过旅行者1号不能直接测量等离子体数据,必须寻找其他方法进行验证。2012年3月太阳表面爆发了一次大规模的日冕物质抛射,这些物质在13个月后达到了旅行者1号所在位置,引起了仪器指数的震荡。这些数据表明,来自星际空间的粒子浓度已经超出日球层边缘的40倍!

这一系列相关资料证明,旅行者1号在2012年8月25日就已脱离了太阳风的范围,当时距离太阳大约121个天文单位。加州理工大学科学家埃德?斯通(Ed Stone)说:“现在,我们掌握了新的关键数据,我们相信这是人类迈入星际空间的历史性一步。虽然还需要时间来分析这些观测,弄清它们的意义。但现在可以回答那个我们一直在提的问题了:‘我们到了吗?’是的,我们到了!”

抵达日球层顶,一直是日球层研究领域的圣杯。现在看来,似乎可以肯定,旅行者1号已经完成了这项任务,开始朝向更新更陌生的星际空间前进了。

旅行者1号已经飞行了整整36年,距离我们接近190亿公里,它的信号到达地球需要17个小时。它携带的天线发射功率只有23瓦,到达地球时只有1瓦的万亿亿分之一被天线接收到。发回的数据大约每秒16字节,由NASA的深空网络接收。要感谢这些年来射电技术的进步,让我们可以收到来自“航海家”的信息。

旅行者1号、2号,都是以3块放射性同位素热电机作为动力来源。这些发电机目前已经大大超出了起先的设计寿命,一般认为在大约2020年之前仍可提供足够电力令航天器能够继续与地球联系。一旦电池耗尽,旅行者1号将继续孤独地向银河系中心前进,但再也不会向地球发回数据了。

如今,旅行者1号以每年3.5天文单位的速度远离太阳,轨道离开黄道面偏北35度,直到公元40272年才会到达1.7光年远的小熊星座AC+79 3888。旅行者2号的速度每年3.1个天文单位,轨道离开黄道面偏南48度,它在4万年后会经过1.7光年远的仙女座恒星罗斯248——如果它们之前没有被外星文明截获的话。

祝它们好运!

关于旅行者金唱片

旅行者1号上携带了一张铜质磁盘唱片,内容包括用55种人类语言录制的问候语和各类音乐,旨在向“外星人”表达人类的问候。唱片厚12英寸,镀金表面,内藏留声机针。55种人类语言包括了古代美索不达米亚的阿卡得语等非常冷僻的语言,以及汉语普通话和3种方言(闽南语、粤语、吴语)。

另外,唱片还包括了以下内容:

时任联合国秘书长库尔特?瓦尔德海姆的问候。

时任美国总统卡特的问候,内容是:“这是一份来自一个遥远的小小世界的礼物。上面记载着我们的声音、我们的科学、我们的影像、我们的音乐、我们的思想和感情。我们正努力活过我们的时代,进入你们的时代。”

一个90分钟的声乐集锦,主要包括地球自然界的各种声音以及27首世界名曲,其中有中国古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》等。

115幅影像,包括太阳系各行星图片、人类生殖器官图像及说明等。

关于本文

本文首发于《南方人物周刊 》

配图出处为NASA

主要参考资料

NASA官方消息:http://www.nasa.gov/mission_pages/voyager/voyager20130912.html

官方解释:http://www.nasa.gov/mission_pages/voyager/voyager20130912f.html

1977年的官方报告:http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1977-084A

两份非常好的问答:

  • 问答1:http://voyager.jpl.nasa.gov/faq.html
  • 问答2:http://www.popsci.com/science/article/2013-09/nasa-scientists-answer-your-burning-questions-about-voyager-1

萨根和安·德鲁彦的爱情故事:

  • http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2011/28apr_voyager2/
  •  http://www.npr.org/2010/02/12/123534818/carl-sagan-and-ann-druyans-ultimate-mix-tape?ps=cprs

首次目击暗淡蓝点:http://www.npr.org/2010/02/12/123614938/an-alien-view-of-earth

果壳网讨论:

  • http://www.guokr.com/article/437387/
  • http://www.guokr.com/blog/331778/
  • http://www.guokr.com/post/473183/
  • http://www.guokr.com/question/493594/
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