夜读丨他是伟大而孤独的太空旅行者,只有他造访过海王星

今天讲述的这个故事,是发生于1977年的一次天空探索。这次太空探索太传奇了,以至于被誉为是“人类历史上最伟大的太空探索”。 有多伟大? 我们至今无法超越。 我为什么突然想讲这个故事呢? 因为就在上个月,美国航空航天局(NASA)发布消息:

“他已经成功飞越太阳日光层,正式进入星际空间。”

这个伟大的太空旅行者,在经过41年的漫长跋涉后,终于摆脱太阳的控制,开始了伟大的星际旅行。

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1957年10月4日,苏联通过洲际弹道导弹改装的运载火箭,发射了人类第一颗人造卫星Sputnik-1。

 这一下,美国人慌了。 一个月后,苏联再发神威,又成功发射了更大更重的Sputnik-2。这一下,美国人更慌了。 为什么慌?

“我们担心的不是卫星,而是送它上天的背后技术。如果能够发射这么庞大的导弹,他们就可以轻松发射热核弹。”

美国人为此非常焦虑,甚至造成了华尔街股市的大震荡,史称“史普尼克危机”。 为了化解危机、缓解焦虑,美国决定在1957年12月6日,大搞一次现场直播——发射人造卫星Vanguard TV3。 没想到Vanguard TV3发射才几秒,就发生了猛烈爆炸,美国政府颜面尽失。 时任美国总统艾森豪威尔气坏了,发誓一定要追上并赶超苏联。于是在他的筹划下,1958年7月29日,美国成立了国家航空航天局(NASA)。

NASA成立后不久,就制定了一系列著名的太空计划,水手计划、阿波罗计划、太空实验室等等,决定帮助美国在太空竞赛中找回面子。 故事就从这里开始了。

2、引力弹弓

这其中的一个计划,就是深空探索计划——探索太阳系八大行星。

探索与地球临近的金星水星,虽然难度大,但不是不可能。但要探索较远的木星土星,甚至更远的天王星海王星,那就成了“不可完成的任务”。 为什么呢? 因为距离实在是太远了。 凭借当时的火箭助推技术,人造探测器所获得的速度,到达海王星需要近40年时间,就是依靠现在火箭助推技术人造探测器到达海王星也要30年。这对于急于见到成果的美国来说,这显然是无法接受的。

“只有放弃探索天王星海王星。”

时间一晃就到了1961年。 这一年,美国数学家米诺维奇,开始琢磨一个数学问题:一个从地球发射的航天器,在经过太阳系其他行星时会发生什么变化?米诺维奇通过反复计算发现:

“当航天器靠近一颗行星的时候,会被它的引力所吸引。由于行星本身就在高速围绕太阳旋转,所以它就拖着航天器跟着它一起跑,从而把自己的速度也传给航天器。只要航天器不被行星捕获,它就能叠加行星提供的额外速度,从而以比原来大得多的速度被抛射出去。”

▲ 质量越大的星球,其引力弹弓效应越强  

米诺维奇的这个发现,就是物理学上著名的“引力弹弓效应”。 这个发现,让NASA的深空探索看到了曙光。

“在发现引力弹弓之前,人类发射的航天器连火星也到不了。而在此之后,人类就有了探索整个太阳系的能力。”

1965年夏天,加州理工学院研究生弗兰德罗,跑到NASA下属实验室去做暑期实习。实习期间,他承担了一份差事——计算从地球飞往其他行星都有哪些可能航线。 这份差事技术含量并不高,所以很多人都不愿意做,但弗兰德罗毫不介意。 弗兰德罗在计算航线时,突然开了一个脑洞:是不是存在一条可使航天器一次访问多个行星的航道呢?

▲ 弗兰德罗发现了一条意义非凡的航线 

经过很多很多次计算后,弗兰德罗终于发现了这条惊人航线:

“我发现12年后,也就是1977年的夏秋时候,木星、土星、天王星和海王星,都会运行到一个特别合适的位置。如果在这个时间段内,向木星发射一个探测器,它会先被木星的引力弹弓甩向土星,再被土星的引力弹弓甩向天王星,然后被天王星的引力弹弓甩向海王星,最后被海王星的引力弹弓甩向外太空。 凭借引力弹弓效应,一个探测器就可以同时探索四大行星。而且,更重要的是,探索的时间大大缩短了。飞往海王星本来需要花40年,但选择这条航线,就能把航行时间缩短到12年。”

3、行星壮游

弗兰德罗的这个发现,让整个NASA都兴奋起来。

“这种机遇,176年才有一次,我们必须抓住。”

于是NASA采纳了弗兰德罗建议,决定实施“一次探索四行星计划”,并取了一个漂亮的名字——“行星壮游”。 但这个计划的成本实在是太高了,需要整整10亿美元。但雄心勃勃的科学家们,实在不愿放弃这次机遇,“决定设计四艘太空飞船,开启这次伟大的探索。” 但这个计划很快搁浅了。尼克松当选美国总统后,大幅削减了NASA的经费,迫不得已,NASA只得取消“行星壮游”计划。但科学家们始终心不甘,不断地进行游说,终于在1972年打动了尼克松。 尼克松同意再次启动该计划,但附加了一个条件:“只能给2亿5千万美元经费。” 经费虽然大幅削减,但有总比没有强,“建造四艘太空飞船的计划,只得缩减为两艘。” 这两艘太空飞船建好后,NASA组织了一次公众投票,美国民众最后给两艘太空飞船选了一个诗意的名字——旅行者号。

“他们将成为人类历史上最伟大的旅行者。”

4、更大野心

科学家们在设计两艘旅行者号时,悄悄地留了一手,因为他们有着更宏大的野心:

 希望两艘飞船在完成探索四颗行星的计划后,并不就此终止任务,而是继续飞行,飞出太阳日光层,飞出整个太阳系,去开启前所未有的星际旅行,去探索太阳系之外的星际时空。 

旅行者号虽然可以借助引力弹弓效应,并利用惯性持续在太空飞行,但在进行变轨、航道修正,进行拍照、传输信号的时候,还是需要很多能量。 

但能量从哪里来? 

显然不能单单依靠太阳能发电,因为距离太阳越来越远,能吸收的阳光就越来越弱。所以必须采用另一个办法,来保证旅行者号可以获得稳定的能量。

科学家们经过一番研讨后,给两艘飞船安装了放射性同位素温差发电机。“这是一种可将钚-238裂变产生的热量转换成电能的核电池。” 

核电池预计可以用到202x年,“旅行者号飞出太阳系日光层,耗光电能之后,可依靠惯性穿过奥尔特云,然后飞向下一个恒星系。”

5、金属唱片

美国有一位非常著名的天文学家、科幻作家,叫卡尔·萨根。

1939年,5岁的萨根,在参观纽约世界博览会时,被一件事深深打动:“西屋时间胶囊”掩埋仪式。

▲ 西屋时间胶囊掩埋仪式  

西屋电器制造公司打造了两个胶囊形状的钢化铜罐,这个罐子非常耐腐蚀,可以保存很多很多年。然后西屋公司将该时代非常有代表性的一些物品,如剃须刀、电话机、书籍等,以及爱因斯坦的一封信放入罐子,再将罐子深深掩埋起来,准备在5000年后打开。

西屋公司及科学家们有一个美好愿望:希望5000年后的人类或外星人,打开这个“时间胶囊”后,可以根据里面装着的物品,来推断5000年前的地球是什么样子、到底住着什么样的一群人。

这个时间胶囊掩埋仪式,像锥子般刻在萨根记忆里,开启了他对时间、对宇宙的兴趣,并引领他成为了一名天文学家,“我长大了也想造一枚时间胶囊。”

1977年初的某一天,萨根突然接到一个电话,电话是旅行者号项目组打来的:“我们想给外星人发送一些可靠的信息,想请你来负责……”

萨根立马兴奋起来。他召集一批专家,成立了一个小型委员会。然后大家开始思考一个问题:到底向外星人发送一些什么信息?

显然,不可能是真正的物品。因为飞船非常小,携带不了多少东西,即便可以携带,这些东西也无法保存上亿年。怎么办?

萨根想起了小时候看到的时间胶囊,“能不能仿照这个方式,将信息录入一个载体中?” 委员会的专家都很赞同。

但用什么做载体呢?当时流行的信息记录技术是磁带。但磁带显然不行,因为太容易受磁场和辐射干扰,录入的信息保存不了那么长时间。经过很多次讨论后,射电天文学家德雷克解决了这个问题:

“制作一张金属唱片,让信息刻录于其中,这样不仅易于外星人解读,蚀刻的信息也可以保存上亿年。”

然后萨根开始思考另一个问题:在金属唱片上刻录什么信息呢?

最后萨根脑洞大开,为了展现地球生命的多样性以及地球上的文明,他刻录了很多声音及图像资料。

这些声音包括:风、闪电、海浪等自然界的声音,鸟、鲸等各类动物发出的声音,当然,也少不了人类的声音。

萨根在上面刻录了多种方言问候语,其中有四种来自中国,就是普通话、闽南语、粤语、吴语。

萨根还在上面刻录了27首经典音乐作品,其中有一首就是中国的《高山流水》。

萨根还在上面刻录了115张图片,其中有一张就是中国的长城。

……

制作完这个金属唱片后,科学家们又在唱片的封面上,分别用数学和物理语言,刻画了唱片的播放方式,以及探测器的发射时间,并在上面标注了地球所处的位置。

最后,科学家们又在唱片一个2厘米区域镀了一层超纯铀238。铀238会稳定衰变为铅206,半衰期为44亿5千万年。

“外星人可以通过这个方式,计算旅行者号飞越的时间。”

两张相同的“金属唱片”,就这样被牢牢固定在了旅行者1号、2号上。

6、开启旅程

1977年8月20日,NASA成功发射了旅行者2号。旅行者2号肩负的任务是:探索木星—土星—天王星—海王星。 1977年9月5日,NASA又成功发射了旅行者1号。旅行者1号肩负的任务是:探索木星—土星—天王星—海王星。

▲ 旅行者1号和2号的轨迹图 

“行星壮游”就这样开始了。 两艘旅行者号采用电磁波的形式,传回了一系列震撼人心的信息和图片。

1979年2月13日, 旅行者1号拍下了木星和它的两颗卫星。 左边是木卫一,右边是木卫二。

旅行者1号, 还拍下著名的木星红斑。 那里的风暴, 已经刮了400年。 充满活力的云带, 以超过600千米的时速, 不断绕着木星大气旋转。

1979年3月, 旅行者1号接近木卫一时, 捕捉到了火山喷发的照片, 这是人类第一次在太阳系其他天体上发现活火山。

1979年7月7日, 旅行者2号拍摄的结满冰层的木卫四。

1979年7月9日, 旅行者2号拍摄的木卫二, 发现其结冰表面之下, 竟是全球海洋。

1979年7月 旅行者2号拍下的木星照片。

1977年9月18日, 旅行者1号在距离地球1166万千米处, 拍摄的新月形的地球与月亮。

1981年8月, 旅行者2号拍下土星和它的4个卫星: 土卫三、土卫四、土卫五和土卫一。

1981年8月22日, 旅行者2号在距离土星400万千米处, 拍下了土星的大光环。

1981年8月, 旅行者2号拍摄的土卫二, 它是一颗在表面冰层下拥有海洋的星球。

1980年11月, 旅行者1号回望土星时, 拍下了这幅土星及土星环的全景图。 当时,它距离土星大约530万公里。 四天前,它刚刚从土星边上飞过。

1986年1月初, 旅行者2号近距离经过了 太阳系第七颗行星——天王星。 美丽的天王星, 犹如天使的梦境般纯粹。 这是人类目前唯一一次近距离拜访天王星。

1986年1月25日, 旅行者2号拍摄的天王星, 当时它正离开天王星,前往海王星。

1989年8月20日, 旅行者2号在距离天王星约700万千米, 拍下了这张海王星照片。

1989年8月 旅行者2号拍摄的海王星和海卫一, 当时它距离海王星大约486万千米。

1989年8月24日, 旅行者2号拍下的海卫一。 旅行者1号和2号,拍下了数以万计的壮丽图片,在这里就不一一列举了。

这次“行星壮游”,获得的重大发现实在是太多太多了:

第一次发现木星大红斑是个反气旋风暴。

第一次发现地球之外的太阳系行星存在活火山。

第一次发现竟然存在沿行星自转方向逆行的大卫星。

第一次发现天王星竟被汪洋大海覆盖,深度达8000千米。

第一次发现海王星磁场竟然沿赤道横向分布。

…………

这样的第一次实在是太多了。

关于这次“行星壮游”的意义,旅行者号计划首席科学家爱德华·斯通,说了这样一句话:

“旅行者号的发现告诉我们,仅仅根据地球来了解太阳系,视角实在太过狭隘,我们必须重新思考地球,地球是如何演化的,以及变化的潜力。”

7、暗淡蓝点

这次“行星壮游”,旅行者1号和2号非常想完成的一个任务,就是探索土卫六,也就是泰坦(Titan)。

因为泰坦拥有最接近地球的大气,所以科学家们想看一看,这是不是一颗“史前地球”。

1980年11月,旅行者1号终于接近泰坦,没想到泰坦大气雾霾太过浓密,旅行者1号无法看清其表面。于是项目组决定:“让旅行者1号以极近距离掠过泰坦。”

结果近距离靠近后,依然无法看清土卫六,旅行者1号只好放弃对土卫六的探索。

但这次驶近土卫六,让旅行者1号受到了额外的引力影响,它失去了借助木星飞往天王星和海王星的机会,只得离开土星后直接飞向太阳系外。

于是旅行者1号完成土星任务后,便开始向太阳系外飞去。

2012年8月25日,旅行者1号终于穿过太阳风层,进入寒冷黑暗的星际空间。

最后它将穿过奥尔特云,飞向下一个恒星系。

旅行者1号,就这样成了人类第一个进入星际空间的人造物体。

旅行者1号现在距离我们多远?

大约145AU,即144个地球到太阳的距离,即便是光,也需要行走20小时6分钟。

▲ 卡尔·萨根 

1980年,旅行者1号完成土星任务后,就关闭了摄像头。

但几年后,萨根突然脑洞打开:希望旅行者1号到达太阳风边缘时,再拍摄一次地球。

如果成功,这将是人类最遥远的一次回眸。

但萨根的想法没得到项目组支持,因为项目组不想再增加额外费用。但萨根不死心,他去恳求美国宇航局局长、海军上将特鲁利。

终于,他说服了将军。

于是1990年2月14日,也就是情人节那天,旅行者1号重启摄像头,在距离地球40亿公里处,拍下了这张“暗淡蓝点”照片。

▲ 这张“暗淡蓝点”照片,

在“太空看地球十佳照片”中排名第一 。

照片中那0.12像素的暗淡蓝点,就是我们生活的地球。

看到这张照片后,萨根写下了著名的一段话:

“细心再看,你会看见一个小点。

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。

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。

…………

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。”

8、旅行者2号

▲ 旅行者2号飞行轨迹

在完成海王星观测任务后,旅行者2号开始向太阳风层边缘驶去。

2018年11月5日旅行者2号终于飞出太阳风层边界,成为第二个进入星际空间的人造物体。

旅行者2号,作为一个人造探测器,一口气探索了四颗行星,这不仅是一种前所未有的壮举,更是一次里程碑式的太空探索。

再经过大约300多年,旅行者2号将驶入奥尔特云,如果不发生意外,再经过大约3万年时间,旅行者2号将驶出奥尔特云,飞向下一个恒星系。

很多年很多年以后的一天,如果旅行者1号和2号,有幸能够被外星人截获。当外星人打开唱片时,会听到美国前总统卡特留下的一段话:

“这是一份来自遥远而渺小的世界的礼物。

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。

我们正努力使地球的文明长久延续,

从而与你们的文明交汇。

希望有朝一日,

地球人能够克服自己面临的困难,

加入宇宙文明的大家庭。

这张唱片代表了我们的期望和决心,

代表了向广袤宇宙发出的美好祝愿。”

关于作者 /本文转载自“拾遗”(ID:shiyi201633)。

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