旅行者号的故事

旅行者号的故事

 

英国广播公司（BBC）《仰望夜空》（Sky at Night）杂志编辑的《旅行者号的故事》，由人民邮电出版社于 2019 年出版。这些摘录重点介绍了 NASA 旅行者号任务（Voyager Missions）从最初的“盛大的旅行”设想到 1977 年发射后的坎坷旅程。材料详细描述了双子航天器对木星和土星系统的重大发现，包括艾奥（Io）上的火山活动、土星环的复杂结构以及参与任务的科学家（如琳达·莫拉比托和卡洛琳·波柯）的经历。此外，材料也提及了旅行者 2 号继续探索天王星和海王星，以及旅行者 1 号最终成为第一个进入星际空间的人造物体。

 

本书《旅行者号的故事》由英国BBC《仰望夜空》（Sky at Night）杂志编纂，王岚翻译，并由人民邮电出版社出版。本书是一系列BBC《仰望夜空》杂志出版的图书之一，它从旅行者号航天器的宏伟构想讲起，介绍了这对自1977年发射的“双子航天器” 在探索太阳系及太阳系外未知领域中所取得的无数发现，以及它们未来的命运。书中还特别涵盖了参与这项任务的工作人员的心路历程。旅行者号的旅行为人类带来了无穷的启发，它们造访了4颗行星和48颗卫星（其中23颗是此前未知的），并不断重新定义着我们对太阳系的理解。

 

全书共分为四个主要阶段，加上序言、内容提要和译者后记，内容涵盖了从任务的起源到其星际遗产的宏大历史。

 

序言与内容提要

 

序言和内容提要确立了旅行者号任务的历史地位和其惊人的成就，例如旅行者1号已经超越了太阳的影响范围，进入了前所未知的星际空间。尽管这对航天器所配备的八轨磁带计算机的计算能力比普通智能手机弱约24万倍，但它们带来的发现仍然令人惊叹。书中特别邀请了多位亲身参与任务的工作人员讲述他们的故事，包括发现土星环中“辐条”的卡罗林·波尔科和项目科学家埃德·斯通。

 

第一阶段 宏伟的构想

 

本阶段详细介绍了旅行者任务诞生前的历史背景、设计理念、技术难题和发射过程。

 

旅行者号之前的岁月

 

在旅行者号之前，人类对外部太阳系的了解十分有限，只零星访问过木星和土星。本章回顾了人类对巨行星的认知历程：从伽利略在1610年发现木星的4颗卫星，到克里斯蒂安·惠更斯在1655年正确推断出土星被薄环包围。

 

此外，本阶段也重点介绍了先驱者10号（1973年）和先驱者11号（1974年）的木星和土星飞掠任务，它们首次确认了木星的巨大磁场、拍摄了木星卫星的表面特征，并发现了土星的薄环F。在旅行者号探测器之前，人类对天王星和海王星的了解几乎一片空白。

 

3次生命的机会

 

这是任务能够成功的核心起源。1965年，实习生加里·法兰德罗注意到一个176年一遇的罕见天体排列机会，即四颗外行星（木星、土星、天王星和海王星）将在20世纪70年代末和80年代初位于太阳系的同一侧。这使得通过引力辅助（引力助推） 一次性造访所有行星成为可能。

 

原始的“盛大的旅行”计划（TOPS）因预算过于庞大和技术过于雄心勃勃而夭折。取而代之的是成本更低的水手—木星—土星（MJS）探险，后被命名为“旅行者号”。旅行者号最终确定了两条轨道：JST轨道（旅行者1号，飞向木星、土星、泰坦，然后离开行星平面）和JSX轨道（旅行者2号，飞向木星、土星，并有望飞向天王星和海王星，完成“盛大的旅行”）。

 

核动力奇迹

 

本章介绍了旅行者号的技术细节。每个航天器约有一辆小汽车大小，质量为722千克。由于航行距离遥远，它们配备了3个钚燃料的放射性同位素热电发电机（RTG）作为核动力来源。航天器的计算机系统只有68千字节内存。旅行者号携带了多种尖端科学仪器，如广角和窄角相机（成像科学系统）、磁力计、紫外光谱仪等。

 

旅行者号坎坷的旅程

 

尽管旅行者2号的轨道较慢，但因为它要先到达最佳轨道以探访最外围的巨行星，所以它于1977年8月20日率先发射，旅行者1号则于9月5日发射。发射过程充满了戏剧性，旅行者2号在上升过程中曾误报故障，并在发射后几个月永久失去了主无线电接收机，只能依靠有缺陷的备用接收机。旅行者1号也经历了推进剂不足的险情。最终，旅行者1号拍摄了地球和月球第一次同时出现在一张照片中的绝美影像。

 

旅行者号的伟大里程碑

 

本节以时间轴形式总结了任务的标志性时刻，从发射、到访木星（发现火山活动和行星环）、土星（发现新的环和卫星）、天王星、海王星，直到旅行者1号进入星际空间（2012年8月25日）和拍摄“暗淡蓝点”照片。

 

第二阶段 老朋友

 

本阶段聚焦于任务对木星和土星系统的探索，这些发现彻底改写了教科书。

 

木星秘密大爆发

 

旅行者1号于1979年1月开始拍摄木星。最重要的发现是琳达·莫拉比托（Linda Morabito）在图像中发现了木卫一艾奥（Io）上的火山活动，这是人类首次在地球以外看到火山喷发。艾奥的火山活动产生的能量是地球上所有火山总和的两倍。旅行者号还证实了木星磁层的存在，以及壮观的极光。

 

旅行者号的观测揭示了木星大气的动态，包括巨大的大红斑。最大的惊喜是发现了木星周围的细窄尘埃环，挑战了长期稳定的环模型。对伽利略卫星的观测揭示了它们之间的巨大差异：木卫三甘尼德是太阳系最大的卫星，木卫四卡利斯托地质构造不活跃，而木卫二欧罗巴（Europa）表面布满条纹和裂缝，暗示着可能有地下物质活动。

 

旅行者号的声音 琳达·莫拉比托

 

琳达·莫拉比托回顾了她在导航团队的工作，并讲述了她是如何在处理优先级较低的单色图像时，偶然发现了艾奥边缘的新月形羽状喷发物。她提到科学家们原本以为艾奥会像月球一样地质活动早已死亡。这一发现支持了斯坦顿·皮尔关于潮汐消散加热的预测。

 

土星上的巨大发现

 

旅行者1号于1980年11月飞掠土星。为近距离观测土星最大的卫星泰坦（土卫六），旅行者1号有意切断了与地球的通信以调整姿态。无线电信号穿过泰坦厚厚的橙色云层，证明其大气层远比预期要厚。泰坦的大气主要由氮和甲烷分子组成，原子重新组合成氰化氢和乙炔等微量元素，这使科学家推测泰坦可能反映了地球在生命演化前的婴儿阶段。

 

在土星环方面，旅行者号发现了牧羊犬卫星（如普罗米修斯和潘多拉），它们通过引力作用维持着环的结构。此外，旅行者1号拍摄的图像序列揭示了横穿土星环的辐条（带电粒子）现象，表明环的结构不仅仅由引力决定。旅行者号还发现了新的D环和G环，并对土星卫星进行了近距离观测，包括拥有巨大陨石坑的土卫一美马斯和高度反射光线的土卫二恩克拉多斯。

 

旅行者号的声音 卡洛琳·波柯

 

卡洛琳·波柯分享了她作为研究生参与旅行者项目，并最终发现土星环中辐条的经历。她发现辐条的周期性出现和消失与土星磁场的周期相同。她认为，旅行者号拉开了序幕，让我们得以一窥太阳系的真实模样，并提到她和卡尔·萨根共同倡导了拍摄著名的“暗淡蓝点”照片。

 

暗淡蓝点

 

本节引用了卡尔·萨根关于“暗淡蓝点”的著名论述，强调地球在茫茫宇宙中的渺小和人类的共同境遇。

 

第三阶段 未知的领域

 

本阶段记录了旅行者2号向冰巨人的进发以及旅行者1号向星际空间的跨越。

 

冰巨人的未知领域

 

旅行者2号是唯一一艘造访过四颗巨行星的航天器。它于1986年1月访问天王星，然后于1989年8月访问海王星。

 

天王星的轴向倾斜角高达98度，它看上去非常平静，没有明显的风暴或纬向带。旅行者2号测量出天王星的磁场相对自转轴倾斜了59度，并发现了10颗新的卫星和一对新环，确认了牧羊犬卫星科迪莉亚和奥菲莉娅的存在。木卫五米兰达的地表特征（如20千米深的峡谷）表明它可能曾被撕裂后又重新聚合。

 

海王星则出人意料地活跃。它拥有太阳系中最猛烈的风（速度高达1100千米/小时）。旅行者2号观测到了椭圆形逆时针旋转的大黑斑。它还证实了海王星周围存在不完整的“弧形”环（亚当斯环），由不均匀的粒子“团块”组成。

 

最重要的发现来自海王星最大的卫星海卫一崔顿（Triton）。它被确认是太阳系中已知最冷的地方之一（-236℃），但却有着惊人的发现：喷发的间歇泉（cryo-volcanoes）。这些间歇泉将碳质物质抛向几千米的高空。

 

旅行者号的声音 邦妮·布拉蒂

 

邦妮·布拉蒂回忆了在没有个人电脑的年代，如何定量分析数据。她描述了等待天王星和海王星数据到达时的巨大悬念。她强调了崔顿上的活跃羽流和海王星的“滑板车”云等，证明了即使是远离太阳的寒冷天体也能非常活跃。

 

太阳系的全家福

 

1990年2月14日，旅行者1号在卡尔·萨根和卡洛琳·波柯的倡议下，回望家园，拍摄了由60张图像组成的“全家福”，其中地球仅是一个微小的“暗淡蓝点”。这是旅行者号拍摄的最后一组照片。萨根和波柯克服了JPL任务管理者的反对，成功地完成了这项具有巨大哲学意义的观测。

 

再见，太阳系

 

在行星探索结束后，旅行者号启动了旅行者星际任务（VIM）。本章详细描述了航天器如何穿越太阳的影响范围（日光层）。旅行者1号于2004年12月穿越终端激波（Termination Shock），旅行者2号于2007年8月穿越。旅行者1号最终在2012年8月25日跨越太阳风顶层（Heliopause），进入星际空间。这次突破由宇宙射线减少、星际粒子增加以及通过太阳耀斑引起的等离子体振动所证实。由于核能源每年损失4瓦特，航天器系统将逐步关闭，预计到2025年最后的科学仪器也将停止工作。

 

旅行者号的声音 苏珊娜·多德

 

苏珊娜·多德，现任旅行者号的项目经理，分享了在能源日益耗尽的情况下，工程师们如何明智地管理能源和热条件。她证实了旅行者1号通过间接方法确认进入星际空间的过程。她的目标是为旅行者号举办50周年纪念派对（2027年），并强调了黄金唱片赋予任务的浪漫色彩和重任。

 

第四阶段 伟大的遗产

 

本阶段探讨了旅行者号对后续太空探索的影响及其作为人类大使的角色。

 

来自旅行者号的经验

 

NASA行星科学主任詹姆斯·格林将旅行者号誉为太空探索中最伟大的成就之一。旅行者号是行星科学“飞掠、绕转、着陆、漫游以及取回样本”范例中的侦察队和发起者。任务的成功，特别是引力辅助概念的运用，影响了后续所有任务（如卡西尼号、新视野号、信使号、欧罗巴号和朱诺号）。旅行者号的发现为未来的研究设定了日程，特别是对冰巨星天王星和海王星的后续探索。

 

给星星的留言

 

旅行者号的遗产中最浪漫的部分是黄金唱片（Golden Record）。它是一个1977年的“时光胶囊”，记录了地球上的生活和文化快照。唱片包含116幅图像、55种语言的问候语（包括中国的闽南话）、12分钟的自然声音和90分钟的音乐。唱片由卡尔·萨根和弗兰克·德雷克设计，保护套上刻蚀了播放说明和太阳相对于14个脉冲星的位置，以指示其起源地。

 

旅行者号的声音 埃德·斯通

 

项目科学家埃德·斯通回顾了任务初期作为首批完全自主飞行航天器的挑战。他强调了任务的重大惊喜：艾奥的火山活动和崔顿上的间歇泉，这些发现揭示了太阳系天体的多样性和独特的地质历史。他最终证实旅行者1号进入星际空间，是通过等离子体密度的骤变（40倍增加）和高能粒子/宇宙射线的变化所确定的。

 

旅行者号将如何迎接它们的归宿

 

预计到2025年，旅行者号的钚电池将最终耗尽，所有仪器将关闭。航天器将继续在太空中运行，成为“昂贵的漂流瓶”。旅行者1号将在300年后到达奥尔特云，并将在4万年后接近格利斯445恒星。

 

译者后记：宇宙大厨神——星系的形成和演化

 

译者王岚的后记讨论了她的研究方向：星系的形成和演化。她将星系比作由一位“宇宙大厨神”烹饪的“满汉全席”，以说明星系形态、颜色、成分等性质的复杂性，以及天文学家试图通过观测和理论模型来理解这些星系是如何随着时间演化的（涉及引力、气体冷却、恒星形成、反馈过程和星系并合）。