旅行者号：星际长路四十载

文/李会超

美国东部时间2018年12月10日，美国宇航局旅行者号团队宣布：旅行者2号探测器脱离了太阳风的范围，进入一片人类陌生的太空。

▲ 美国宇航局为“旅行者号”40周年制作的海报

在美国宇航局的喷气动力实验室，你也许会看到一些让人匪夷所思的场景：一些拥有美国顶尖高校学位、掌握着最前沿航天技术的科学家和工程师们，正在绞尽脑汁地维护着两台上世纪70年代出厂的老爷机器。在这个4G和WIFI已经普及的时代，他们依然在顽强地使用相当于4G通信十万分之一的带宽与两台老爷机保持着联络，并试图从老爷机传回的数据中找出一些能发表在《自然（Nature）》和《科学（Science）》上的发现。而这两台老爷机之所以让科技人员们如此倾情，只因它已经突破了太阳风所能影响的范围，看到了人类之前从未看到的景象。

这对兄弟的名字是“旅行者1号”和“旅行者2号”，它们的故事最初开始于1967年，并永远不会结束。

天赐良机

上世纪60年代是一个适合幻想家生存的时代。在美国和苏联的太空竞赛推动下，许多看似梦幻的航天计划变成了现实。1967年，喷气动力实验室的航天工程师盖瑞·弗兰德罗发现一个千载难逢的探测机遇即将在下个十年到来：土星、木星、天王星和海王星的相对位置，使得一个从地球发射的探测器能够在各个行星附近进行连续借力飞行，探索火星轨道之外所有的太阳系大行星。

所谓借力飞行，就是人造飞行器借助天体的引力来为飞行器加速。如果把飞行器看作一位步行的旅人，那么借力飞行过程中的行星就相当于是一趟免费的公共汽车，不但能减少飞行所需的能量、降低发射难度，还能提高飞船的飞行速度。

为了抓住百年一遇的太空探测的良机，美国宇航局实施了“旅行者计划”。这个计划由旅行者1号、2号两个探测器组成。探测器从地球发射后，将使用行星借力飞行的手段，沿着不同的方向飞向深空。“旅行者1号”的探测目标为土星、木星和木星最大的卫星泰坦，而“旅行者2号”在完成对土星、木星的探测后，则会继续探测天王星和海王星。完成这些任务后，两个探测器都会飞往太阳系的边缘。

旅行者1号和2号的任务进行得相当顺利，每造访一个天体，探测器上的高分辨率相机和科学探测仪器总能带来视觉感官和科学发现上的双重震撼。它们在木星的卫星伊奥上第一次发现了地球之外的活火山活动，在木星上第一次发现了地球之外的闪电活动，在木星的卫星欧罗巴上第一次发现了地球之外的海洋，在土星的卫星泰坦上发现了与地球大气性质极为相似的大气层。“旅行者2号”是第一个也是唯一造访天王星和海王星的探测器。在那里，它不但拍下了那两颗气态巨行星的美丽的外表，还发现了海王星上位形特殊的磁场。

▲ 旅行者号探测器和它对各个行星探测图像的合影

1990年，当“旅行者1号”上的高分辨率相机的探测任务全部完成时，科学家们决定关闭相机以节约电能。那年的2月14日，“旅行者1号”在约60亿公里外最后一次拍下了它眼中的地球。这幅后来广为人知的照片被命名为“黯淡蓝点”。通过“旅行者号”对其他行星的探测，科学家们更深刻地领会到，没有哪个星球像地球一样受到上天如此多的眷顾：地球处在太阳周围的宜居带里，可以允许液态水稳定存在孕育生命。较强的地磁场屏蔽了太阳高能粒子的侵袭，保护了大气层不被太阳风吹走。大气层的密度和成分能够有效地调节温度，让我们处于既不冷又不热的环境中。适度倾斜的地轴使大部分地区有了四季的变化。地球轨道之外的大行星阻挡了不少可能撞击地球的小天体。就像旅行者团队中的天文学家卡尔·萨跟所说的那样：“再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。”

开路先锋

400多年前，当伽利略第一次将天文望远镜对准天空时，就发现了环绕土星的土星环。然而，直到两艘旅行者号飞船飞临土星时，天文学家们才第一次获得了土星环的近距离高分辨率图像。除了再次被它的美丽所折服外，天文学家们还发现了许多之前未曾发现的土星环精细结构，以及躲藏在土星环里的几颗土星的卫星。看似平整的土星环，实际上却是复杂多变的。

像所有成功的空间科学探测任务一样，“旅行者号”不但带来了新的发现，更启发了新的问题，促使科学家们提出新的太空探测计划。刚刚完成任务、坠入土星的卡西尼号探测器，就是科学家们为了在“旅行者号”发现的基础上更深入地认识土星而提出实施的。对比“卡西尼号”和“旅行者号”的探测数据，科学家们还能获知单独依靠一个探测器所无法发现的现象。例如，当旅行者1号、2号先后于1980年和1981年飞掠土星时，它们通过测量土星发出的无线电信号推测的土星自传周期为10小时45分45秒，而“卡西尼号”在2004年测得的自转周期却在此基础上增加了6分钟。科学家们推测，造成这一现象的原因可能是无线电信号源在土星上的位置发生了变化，并非土星的自转真的变慢了。除了“卡西尼号”外，“伽利略号”、朱诺号木星探测器和正在计划中的欧罗巴快船号探测器，都是“旅行者号”计划的启发下提出和实施的。

▲ 旅行者2号飞船拍摄的土星图像

为了观测海王星的卫星崔顿，“旅行者2号”在距离海王星北极表面5000公里的高度飞掠了海王星。这样近距离的飞掠是比较危险的，飞船测控上的微小偏差可能会使飞船在海王星强大引力的作用下偏离正常的轨道，而“旅行者2号”此时距离地球又非常远，在地球上精确测量飞船位置比较困难。控制信号从地球发出后，要在200多分钟后才能被“旅行者2号”接收到。“旅行者2号”成功执行了此次观测，进而验证了当时的深空测控技术。2008年9月，“卡西尼号”对木星的卫星恩克拉多斯进行探测时，高度仅有49公里，几乎是擦着恩克拉多斯的表面飞掠而过。如此精准的测控，就来自于“旅行者2号”的技术积累。

▲ “暗淡蓝点” 就是地球图片（最右侧棕色带中间的蓝色小点）

在地球上，“旅行者号”也改变了一些地方的景观。在美国的戈德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉，三座大型卫星天线拔地而起，用以与两个旅行者号探测器进行通信。这些天线的外观和一般接收卫星信号的“大锅”差不多，但直径却高达70米，大概相当于4辆北京1路公交车的长度。这些天线成为了美国深空探测网的中坚力量，支撑了之后几乎所有远离地球的探测任务，还在伽利略探测器高增益天线失效、SOHO探测器与地面失去联络等危急时刻扮演了救星的角色。

星际使者

在完成太阳系中的探测后，两个旅行者号探测器将继续向太阳系之外飞去。尽管可能性非常微小，但“旅行者号”团队还是为探测器与地外文明的相遇做了充足的准备。他们在每个探测器上都安装了一个金色唱盘，作为地球和人类的名片，向捕获“旅行者号”的地外文明展示我们这个星球的方方面面。

金唱盘可以同时存储声音和图像信息。在金唱盘储存的图片中，有数学、物理公式和DNA结构这些体现我们对自然界认识水平的抽象内容；有呼啸而起的运载火箭、进行太空行走的航天员、探测天体射电信号的阿雷西博望远镜这些我们技术水平的象征；有联合国大楼、泰姬陵等人文景观。而更多的则是我们日常生活的方方面面：超市中采购的女士，高峰期恼人的堵车，满载而归的渔船，教室里听讲的孩童等等。唱盘中的声音信息，除了时任联合国秘书长与美国总统对地外文明的问候外，还有地球上不同语言的问候。倘若地外文明真能解码这个唱盘，他们听到的中文普通话信息将是“各位都好吧？我们都很想念你们，有空请到这来玩”，他们还能听到粤语、吴语、闽南话等中文方言。如果他们听腻了干巴巴的语音，还能欣赏巴赫、贝多芬的古典音乐和中国二胡演奏的《高山流水》。在金唱盘中，最特殊的记录当属“旅行者号”团队成员安·德鲁彦的脑电波。在录制这段脑电波时，她刚刚和团队中的另一位成员卡尔·萨根相恋。按照计划，德鲁彦在录制脑电波时应该努力思考地球与人类的种种历史政治问题，但坠入爱河的阵阵心动却始终在她心中闪现，最终，这段脑电波记录下了恋爱时的美丽心情，并将这段心情永久地保留了下来，带入了无边的太空中。

在金唱盘表面，科学家们用宇宙通用的物理语言，标出了太阳在宇宙中的位置。氢是宇宙中存在最广泛的元素，其原子结构也最简单。唱盘右下方刻有氢原子发生一种名叫“自旋跃迁”的物理现象的图像，将这个现象发生的0.704纳秒的周期定义为一个基本时间单位。在唱盘左下方，标识了14颗脉冲星和太阳的相对位置图。脉冲星是一种能够以特定频率向外辐射电磁波的天体，每颗脉冲星的频率都是独特的。如果捕获这艘飞船的文明与人类文明的发展水平相当，他们就能通过位置图上的二进制符号与氢原子的跃迁时间，测算出每颗脉冲星的频率，从已经发现的脉冲星中将唱片上的14颗脉冲星辨认出来，进而确定太阳的位置。此外，地外文明还能借助唱片左上方和右上方的示意图，弄清播放唱片、读取图像信号的方式，获得我们想要带给他们的全部信息。

目前，“旅行者1号”已经飞出太阳风所能影响的日球层，进入了星际介质当中，而“旅行者2号”也即将完成这一壮举。它们以约每小时6万公里的速度继续向前飞行。由于探测器同位素电池的输出功率在不断衰减，控制人员不得不逐步关停没有探测任务的仪器以保证探测器正常工作。据估计，到2030年，维持探测器最基本系统运行的电能也将耗尽，那时，它们将彻底进入静默状态。

从地球上看，“旅行者1号”正处在蛇夫座的方向，“旅行者2号”正处在望远镜座的方向。当读者朋友们有机会在夜空中将这两个星座辨认出来时，请不要忘记，两个旅行者号探测器正在那里，将人类太空探索的疆界不断向前推进，向浩瀚宇宙带去人类文明的信息。尽管这样的机会微乎其微，但我们还是可以畅想在许多年以后和许多光年之外，会有另外的文明发现了“旅行者号”，解码了金唱盘，兴奋地发现我们地球人类的存在，欣慰的得知他们在宇宙中并不孤单。