“旅行者1号”:一趟永不回头的星际旅行齿轮中心距计算公式

来源:互联网新闻 时间:2020-04-30 03:33

“旅行者1号”。

加里·赞克。

小行星带。虚拟图

“旅行者1号”观测到的木星火山。

9月12日,美国爱荷华大学的唐纳德·格尼特及其同事在《科学》杂志发表报告,证实了“旅行者1号”已经在去年进入了星际空间,成为了人类历史上第一个到达星际空间的人造物。这一消息随后被美国宇航局(NASA)确认并公之于众。

“这是太空飞行史上一座伟大的里程碑,简直可以和人类第一次登月相提并论。”在接受新京报记者采访时,格尼特说。

1977年9月5日,“旅行者1号”发射升空,从此,它沿着离开太阳系的轨迹,一路飞奔而去,永不回头;而在地面上,36年来,却有一支团队一直在注视着它,跟随着它的脚步,向世人展示那浩瀚未知的外太空世界,一代接一代,从黑发到白头……

180年一遇 兄弟俩连访四星

“我们派出了一个旅行家,带着人类的信息,在银河里旅行。”

在最初发射时,人们并未期望“旅行者1号”和它的哥哥“旅行者2号”能够走得如此之远。“最初的目标是到达木星和土星。” 唐纳德·格尼特对新京报记者说。“上世纪70年代初期,人们认识到木星、土星、天王星和海王星的几何位置,可以允许一艘天空飞船以平滑的弧线轨迹一次飞过。不过,由于这些星体以不同的速度绕太阳旋转,上述情况每180年才发生一次。因此要执行这样的一项任务,我们必须在1977年8月底或者9月初发射飞船。”

这项计划被叫做“大旅行”,美国国会批准了这一计划,一共制造了两艘太空探测器,分别叫做旅行者1号和2号。旅行者1号于当年9月5日发射,飞向木星和土星,之后以逃逸轨迹远离太阳而去。旅行者2号要早几个星期发射,在成功造访了这四颗行星——木星、土星、天王星和海王星后,也远离太阳而去。

“旅行者1号”发射那年,目前美国宇航局“旅行者”项目经理苏珊娜·多德才16岁。当时,她压根未想到自己后来会和那艘随着火箭腾空而起的探测器联系在一起。“那个时候,我更多的时间是花在了考驾照上。”在接受新京报记者采访时,苏珊娜说。直到上了大学,她才注意到了这个项目。

大学毕业后,拥有华盛顿惠特曼学院数学学士和加州理工学院机械工程学位的她,得到了很多的工作机会。但她在众多的选择中,苏珊娜毫不犹豫地选择了NASA喷气推进实验室(JPL)下的旅行者项目。“那时候,旅行者正要飞往天王星。没有任何航天器曾经到访过它,而且没有任何航天器打算去到访天王星,这是一生一次的机会!”

加入“旅行者”项目让苏珊娜倍加兴奋。“1986年那会,旅行者号开始接近天王星,那时所有的科学家、媒体都来了,大家都很兴奋。”而苏珊娜即将加入的团队则能够直接看到“旅行者”号发来的图像,这令她更加激动。

“我记得当时接近行星的时候,每天旅行者窗外的行星都大一点,每一天都大一点,很快,行星就充斥了所有的视野,这很令人激动,特别是天王星和海王星,因为从地面上是看不到这么清晰的图像的。”

但此后,在经历过飞掠天王星、海王星的热潮之后,“旅行者号”遭遇了一段“冷遇期”。“跃过行星之后,就没有什么可看了,都是一片漆黑,偶尔看到一点点别的星球的亮光,没有什么特别的东西。”

很长一段时间,“旅行者号”传回的数据几乎没有多少变化,人们开始怀疑,是否还有必要在这个项目上砸那么多的钱。

36年追随 科学家鬓满霜

“我们最大的担忧,其实是资金。”负责跟踪“旅行者号”,进行数据分析的加里·赞克对新京报记者说。他从20多岁开始,便一直参与“旅行者号”的科研工作。

“因为没有人知道旅行者到底要飞多久,才能到达日球层与星际物质的边界。所以,我们担心项目的资金会被砍掉。” 赞克说。

的确,在上世纪90年代到新世纪初那些年,“旅行者号”的预算减少了,团队成员也减少了, 苏珊娜也因为工作调动到了另外一个望远镜项目,她和朋友都担心,项目还会不会继续下去。

“我们有过焦虑担忧的时刻,有过沮丧的时刻,但是我们从没有失去过信心。”赞克说。

赞克的自信后来得到了证明。

在坚持多年之后,“旅行者”不负众望,不断传回激动人心的消息。2004年,“旅行者1号”跨过了“边界激波”(太阳风由于接触到星际介质而开始减速的区域),太阳粒子开始减速,那是“旅行者”第一次进入一个新的区域。到2007年,“旅行者2号”也跨过了“边界激波”。

如今,“旅行者1号”进入星际空间,让这位孤独的太空旅者再次成为国际舆论的焦点,它成为人类在星际空间的第一位使者。而此时的赞克,双鬓早已爬满了白发。他的身份,也由当初一名刚毕业的大学生,升级为美国著名的天体物理学家。

“旅行者2号”拍摄的天王星卫星。

“旅行者2号”拍摄的海王星。

“旅行者2号”拍摄的木星卫星。

1977年9月,“旅行者1号”发射。

“旅行者2号”比1号先发射,但很快被超越。

“旅行者1号”拍摄的土星。

“旅行者1号”和2号都拍摄了太阳系的全家福。虚拟图

“旅行者号”负责人苏珊娜展示“旅行者1号”上携带的黄金唱片复制品。

12年新生 星际空间人类使者

21世纪第一个10年间“旅行者号”的新发现,让两架探测器重获新生。

“这个时候,事情发生了改变,无论是科学界还是公众,都又关注起这个利用几十年的旧技术还坚持在太空飞行不息的探测器。”苏珊娜说。

苏珊娜也重新回到了这个开启她职业生涯的团队。“2010年时,‘旅行者号’的项目经理退休了,于是他们问我是不是愿意过来,我说:当然了,于是我就回来了。”重新回归的感觉很好,“就像你原来在一艘船上只是做普通的水手,后来你走了,发展自己的职业,但回来后,做了船长,我觉得我很幸运。”

“旅行者”在太空中探索的36年里,在地球上的它的“伙伴们”也不断发生变化,有人来,有人走,也有人一直在坚持。

“我们团队一共有12个工程师,别的还有各种科学家。”苏珊娜对记者说,“一部分人是像我这样,中间参与进来,进进出出的,有的做了25年之久,有几个工程师做了30年,还有2个人是从头到尾就参与的。” 苏珊娜对这些人心存敬意,“旅行者最大的贡献者是长期呆在这个项目中做工作的科学家和工程师。”

“我们派出了一个旅行家,带着我们的信息,在银河里旅行。” 苏珊娜说,两艘旅行者都携带有“黄金唱片”,这是源于美国著名的天文学家卡尔·萨根的创意。唱片中包含了联合国秘书长和美国总统的问候语,地球上各种生命,以及他们的图片、声音。

“旅行者号”使用的是核能电池。这帮助兄弟俩能在太空中工作36年之久。但它们的电池,也在逐渐耗尽。为省电,从2007年开始,一些仪器被关闭。

在飞过最后一个行星之后,两个“旅行者号”的摄像头都被关掉。“现在已经没有摄像头了。”苏珊娜说,“摄像头是为了拍摄近距离的东西,比如行星,而不是为了拍摄遥远的恒星,所以就没什么可拍的了。我们也希望能够节约用电,把电力用在其他仪器上。另外,也是为了节省内存。”

1977年美国发射“旅行者号”时,技术远没现在这么先进。苏珊娜说,“整个“旅行者1号”的内存,只有68KB,而现在智能手机的内存都是它的24万倍,但我不指望我的手机能用36年。”

目前,“旅行者1号”正以每秒至少16.7公里的速度,飞向浩淼的星际空间。

苏珊娜说,从视觉上来说,现在的“旅行者1号”所在的星际空间和日球层里面并没有太大的区别,都是漆黑的宇宙。但是,从触感上,就大不一样了。“飞行器上的仪器可以感觉到太阳风从哪儿来,有多少带电粒子在旁边,可以测量太阳磁场,可以测量等离子体密度,你可以把来自太阳和来自星际空间的等离子体想象成一种压力,那飞行器就可以感觉到里外不同的压力。”

几年来,关于“旅行者1号”抵达星际空间的消息传过好几次。但最终在上月有了确定的答案。回想起那一刻,苏珊娜依旧掩饰不住语气中的兴奋与自豪。

“当数据发生明显变化时,我们都很兴奋,我们把数据交给专门进行分析的科学家,盼望着他们早早把数据的意义分析出来。当他们说,行了,这回真的到了时,我们感到特别兴奋。我们兴奋地一直在说这个事,但是说好不要透露给媒体,在开发布会之前要保持秘密,但是还是没成功,秘密太难保守了,因为大家实在太兴奋了。”

“‘旅行者1号’现在即将掀开旅程中最新的一页,去探索星际空间。”赞克无比兴奋地对记者说。

这位伴随着“旅行者号”成长起来的物理学家说,人类此前对星际空间的了解,都来自于日球层以内的观察和测量,或是很遥远的观察。而现在,我们将第一次能够在真正的星际空间中观察它们。“这将带给我们前所未有的、独一无二的对于星际介质的了解,从低能量粒子到高能(宇宙射线),磁场,辐射等等。这将是非凡的经历,此生不会再有第二次”!

“旅行者1号”有四个仪器,三个分别测量磁场、低能粒子和宇宙射线,还有一个是通过无线电波振动间接测量等离子体密度。这次地面团队对“旅行者1号”位置的判断就是基于无线电波的振动频率发生的变化。去年3月,太阳曾发生一次大爆发,13个月后才影响了“旅行者1号”无线电波的振动频率,就像拨动小提琴上的弦。

目前,地面团队唯一能控制的是两艘探测器上的旋转天线,可以让它360度旋转,以实现对飞行器周边环境全方位的测量,“其他的我们都控制不了。”不过,即便是这样的控制,也远远超出在地球上的人们的想象,如今,“旅行者1号”距离地球已有180亿公里远,它的信号到达地球需要整整17个小时,且已经微弱到只有十万兆分之一瓦。

“旅行者1号”的核能电池,还能维持它的科学仪器运作13年。

59年相知 老朋友终将言别

地球与太阳之间的距离为一个天文单位,约为1.5亿公里。而现在,“旅行者1号”在距离太阳125个天文单位的地方,而且,还会越来越远。由于电池总有耗尽的一天,告别,将终不可免。

按照计划,到2020年,地面团队将一个个地关闭”旅行者1号”上的科学仪器,到2025年,科学仪器全部关闭,“到那时,我们还可以知道它是否还在健康地飞行,但已经不知道它身边的环境如何了。”苏珊娜说。而到2036年,连讯号传输的电力都将消耗殆尽,“那个时候我们将关闭工程设备,这就意味着信号传输的结束、意味着沟通的结束。”

“每个科学家都希望自己的仪器是最后一个关闭的。”

等到2036年之后,“旅行者1号”将成为一个沉默的信使,载着带有人类讯息的“金唱片”,游荡在宇宙。 赞克预测,“失去动力之后,它会绕着我们的银河系运转,可能会转上十亿年甚至更久,因为它和任何能够毁灭它的东西相撞的可能性非常小。所以,它可能是有史以来最长久的人造物。”。

赞克说,当切断旅行者的联系后,项目将关闭,大部分参与的人也将退休,“他们已经工作很长时间了,另外的人会去别的岗位,但我相信所有参与的人都会说,‘旅行者’是他们从事的最好的工作,大家就像是一个大家庭一样。”

“真的到切断联系的那一天,我们都会很悲伤,即使不再联系了,我们也会想念它。”谈到20多年后的离别,苏珊娜有点感伤,“‘旅行者’就像一个老友,她的工作是穿越太空,你认识她已经36年了,它有困难的时候你帮助她,她发现新东西的时候你在场,但现在,她已经是老年人了,距离有沟通的生命的终结已经很近了。她是我职业的一大部分,是我个人的一大部分,就像自己家庭成员一样,我希望能够陪伴她到底。”

■ 背景

钱学森参与创建的实验室

“旅行者”的地面团队隶属于美国喷射推进实验室,位于加州帕萨迪那。实验室始建于1936年,钱学森当时也参与了这一实验室的创建。尽管被称之为喷射推进实验室,它从来没有进行过推进器或其他类型的喷射发动机的研究工作。作为美国宇航局下属机构,喷射推进实验室主要负责为美国宇航局开发和管理无人太空探测任务。目前有全职科研人员和其他雇员约5000名。

“旅行者1号”的36年之旅

1977年9月5日

从美国卡纳维拉尔角空军基地发射。(1977年8月20日,“旅行者2号”发射。)

1977年12月10日

进入小行星带(火星和木星轨道之间的小行星密集区域)。

1977年12月19日

由于获得意外的引力加速,超过“旅行者2号”。

1978年9月8日

离开小行星带。

1979年1月6日

开始观测木星,最近时距离34.9万公里。(“旅行者2号”抵达的时间为同年4月25日)

1980年8月22日

开始观测土星,最近时距土星最高云层12.4万公里。(“旅行者2号”抵达的时间为次年6月)

1980年12月14日

终止行星探测任务。

1990年2月14日

完成了太阳系“全家福”的最后一张照片。

1998年2月17日

超越比它早发射5年多的探测器“先驱者10号”(2003年1月失去联系)。

2004年12月

进入日鞘(日球层顶和终端震波间的区域,是太阳系边界)。

2007年至2008年

相继关闭三个探测设备。

2012年8月25日

正式进入星际空间。

旅行者2号

1985年11月4日

开始观测天王星。最近距离天王星云层顶部8.1万公里。

1989年6月5日

开始观测海王星。

1989年10月2日

终止行星观测任务,开始朝星际空间航行。

目前

紧随“旅行者1号”,接近太阳系边缘。

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