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发表于 2023-2-19 19:15
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飞掠土星系统
1979 年 4 月 9 日,旅行者 1 号完成轨道修正,飞向土星。为避免撞击到土卫六,它在 1979 年 10 月 10 日又进行了一次轨道修正。1980 年 8 月 22 日,旅行者 1 号开始观测土星。
1980 年 11 月 12 日,旅行者 1 号进入土星系统,并于同日飞掠土卫六,飞掠时与土卫六表面的最近距离仅 3915 千米,为先驱者 11 号飞掠土卫六时的距离(36.2962 万千米)的 1/90 。
1980 年 11 月 12 日,旅行者 1 号在 43.5 万千米距离处拍摄的土卫六。土卫六顶端是厚厚的雾。图片来源:NASA/JPL
旅行者 1 号光谱仪获得的数据表明,土卫六的大气含有甲烷、乙烷、其他多种有机化合物与大量的氮。然而,土卫六的大气中浓厚的有机物雾霾,使得旅行者 1 号得到的图像看上去还是没有特征。
根据旅行者 1 号无线电掩星数据,天文学家推断出土卫六的直径为 5152 千米,表面温度约为 94 K,大气压力为 1.47 巴(1 巴=10 万帕斯卡,地球标准大气压为 1.01325 巴)。它的数据还表明土卫六拥有稠密的大气,其表面可能拥有液态物质。
1980 年 11 月 12 日,旅行者 1 号飞掠土卫三(距离 41.567 万千米)。同日 23:46:30 ,旅行者 1 号到达土星近拱点(距离中心天体引力中心最近的点),此时它距离土星云顶 12.6 万千米。
旅行者 1 号于 1980 年 11 月 13 日拍摄的土星环,当时它距离土星的距离为 150 万千米。图片来源:NASA/JPL
1980 年 11 月 13 日,旅行者 1 号在同一天内先后飞掠土卫一(距离 8.844 万千米)、土卫二(距离 20.204 万千米)、土卫五(距离 7.398 万千米)与土卫七(距离 88.044 万千米)。
1980 年 11 月 12 日,旅行者 2 号拍摄的土卫一(左,42.5 万千米距离处)与土卫三(右,120 万千米距离处)。在这些图中,土卫一右上方的赫歇尔陨石坑(Crater Herschel)、土卫三上面的伊萨卡大峡谷(Ithaca Chasma)都清晰可见。图片来源:NASA/JPL
1980 年 11 月 12 日,旅行者 2 号拍摄的土卫四(左,24 万千米距离处)与土卫五(右,7.3 万千米距离处)。它们表面的众多陨石坑都清晰可见。丨图片来源:NASA/JPL
1980 年 11 月 14 日,旅行者 1 号对土星系统的观测任务结束。在飞掠土星系统期间,旅行者 1 号观测了土星上层大气的化学构成、土星环的复杂结构、土星的极光、土卫六与其他几颗此前已被确认的卫星,还发现了土星的 5 颗新卫星与土星的 G 环。
旅行者 1 号于 1980 年 11 月 16 日拍摄的土星环,当时它距离土星的距离为 530 万千米。阳光照射土星形成的影子投在土星环上面。丨图片来源:NASA/JPL
旅行者 1 号近距离飞掠土卫六时,土卫六的引力使它此后从土星南极掠过,并飞离黄道面(地球公转的轨道面为黄道面,太阳系内的其他行星围绕太阳公转的轨道面与黄道面基本共面),再飞离太阳系。
太阳系的全家福与“暗淡蓝点”
1990 年 2 月 14 日,在空旷的太阳系漂移了 12 年多的旅行者 1 号距离地球约 60 亿千米。此时它在黄道面上方 32 度,适合拍摄太阳系内的几大行星。旅行者号团队下达指令,让它对准太阳方向,拍摄了 60 张图,拼成了太阳系的全家福。为了避免被阳光过度曝光,每张照片的曝光时间仅为 0.005 秒。
这张全家福显示了太阳系内木星、地球、金星、土星、天王星与海王星。水星因为太靠近太阳而无法被识别出来。火星当时的位置使其在旅行者 1 号的视角上只是一轮新月状天体,因此也无法被识别出来。
1990 年 2 月 14 日,旅行者 1 号拍摄的太阳系全家福。从左到右依次是:木星(JUPITER)、地球(EARTH)、金星(VENUS)、土星(SATURN)、天王星(URANUS)与海王星(NEPTUNE)。丨图片来源:NASA/JPL
这套全家福中,最著名的是地球的图像。在地球的照片中,地球只是一个 0.12 像素的微小亮点,它几乎被相机反射阳光后形成的彩色光带淹没。
1990 年 2 月 14 日,旅行者 1 号拍摄的地球图像,图中最右边的明亮浅红色光带中的那个显得苍白的点就是我们的地球。图片来源:NASA/JPL
这张照片引起了著名天文学家、天体生物学家、科普作家与科幻小说作家卡尔·萨根(Carl Sagan,1934-1996)的深思。他将图中的地球称为“暗淡蓝点”(Pale Blue Dot),并在 1994 年出版了《暗淡蓝点:展望人类的太空家园》(Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space)一书。
在这本书中,萨根动情地说:“再想想那个点。那是这里,那是家园,那是我们。在这个点上,每一个你爱的人,每一个你认识的人,每一个你曾经听说过的人,每一个人,无论是谁,都在此度过一生。”“有人说,天文学令人谦卑、塑造性格。可能没有什么能比我们微小世界的这张遥远的照片更能显示人类的自负是多么愚蠢。对我而言,这张照片强调了我们的责任:更友好地对待彼此,保护和珍爱这颗暗淡蓝点——我们目前所知的唯一家园。”[注1]
旅行者 1 号拍摄的这张图与萨根写的这本书的联姻,使地球获得了“暗淡蓝点”这个别名。这个名称迅速流传并破圈,成为人类思考地球与宇宙的最重要的切入点之一。
飞出太阳系的边疆
在结束对外行星系统的探测任务之后,天文学家于 1989 年为旅行者号启动“旅行者号星际任务”(VIM)。当时,旅行者 1 号距离地球 40 天文单位(1 天文单位 1.496 亿千米)。
VIM 主要探测太阳风有关的现象。VIM 被分为三个阶段,分别是:探测终端激波(Termination Shock)、探测日球层鞘(Heliosheath)、探测星际空间。
日球层(heliosphere)是太阳发出的太阳风在太阳周围形成的一个巨大的泡(下图中浅灰色区域),它与星际空间的边界是日球层顶(Heliopause),太阳风粒子止步于此。太阳风吹到接近日球层顶的区域,就会与星际介质接触,受到星际介质的阻碍作用,形成终端激波,这个区域被称为“终端激波区”。
在太阳运动方向一端,终端激波区与日球层顶之间的区域的形状像刀鞘或剑鞘,因此被称为“日球层鞘”。
日球层、终端激波、日球层鞘、日球层顶、弓形激波的示意图。丨图片来源:NASA/Goddard/Walt Feimer;翻译:王善钦
因此,朝着远离太阳的方向,由内向外依次是终端激波区、日球层鞘与日球层顶。日球层顶冲击星际介质,形成弓形激波(Bow shock)。按照一些天文学家的定义,日球层顶之外就是星际空间。
1998 年 2 月 17 日,旅行者 1 号超越先驱者 10 号,此时它距离地球约 69.419 天文单位(约 104.1 亿千米)。此后至今,它一直是距离太阳最远的航天器。
2004 年 12 月 17 日,旅行者 1 号通过终端激波区,进入日球层鞘。2012 年 6 月,天文学家发现旅行者 1 号接收到的来自星际空间的高能粒子数目急剧增加,因此判断它即将穿过日球层顶。
2012 年 8 月 25 日,旅行者 1 号于穿过日球层顶,此时它距地球 121 天文单位(约 181.5 亿千米)。按照一些天文学家的定义,旅行者 1 号在这一天成为有史以来第一个进入星际空间的宇宙飞船。[注2]
为庆祝旅行者 1 号到达星际空间,天文学家于 2013 年 2 月 21 日用甚长基线阵(VLBA)拍摄了旅行者 1 号的射电图像。
2013 年 2 月 21 日,甚长基线阵(VLBA)拍摄到的旅行者 1 号的射电照片。图片来源:NRAO/AUI/NSF
截至 2023 年 2 月 18 日,旅行者 1 号与太阳的距离为 159.1 天文单位(约 238.01 亿千米)[注3]。现在,它相对太阳的速度达到 17 千米每秒(每年 3.57 天文单位),远超过所在地的第三宇宙速度(摆脱太阳引力从而脱离太阳系的速度),因此会一直远离太阳,并将在此后继续向银河系中心前进。它还可以飞出银河系,在银河系外的宇宙中漫游。
发给外星人的金唱片
为了能够让可能存在的外星人有机会了解地球,天文学家在旅行者 1 号与 2 号上面都放置了一个镀金铜盘,其直径为 12 英寸(30 厘米),上面记录了地球的位置与人类的信息。这两个镀金铜盘就是著名的“金唱片”。
旅行者 1 号上面的金唱片丨图片来源:NASA/JPL
金唱片上面包括 55 种语言的问候语(包括中国的普通话、粤语、闽南语、吴语)、35 种地球生命的声音、90 分钟的“地球之声”(包括鲸鱼的声音、婴儿的哭声、海浪拍打海岸的声音以及地球 27 首世界名曲,其中有中国古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》等);115 张照片(包括人类的数学、物理、太阳系及其内部的行星、地球上动物、植物、DNA、人类解剖和繁殖、地球上部分区域的地形与风景、食物、建筑、人类日常生活等)以及当时的一些政治家的问候录音。
金唱片上面的信息的含义丨图片来源:NASA/JPL
唱片封面的左下角表示太阳系与 15 条线与右下角的哑铃状图形与先驱者 10 号与 11 号的铭牌相同,其意义已在介绍先驱者 10 号的文章(《探索太阳系边疆的先驱:先驱者 10 号丨行星壮游》)中介绍,此处不再重复介绍。
唱片封面的左上角是留声机唱片的图纸和唱针。围绕它的二进制符号表示唱片旋转一圈的时间,据此可算出唱片旋转一圈的时间为 3.6 秒。大圆圈下方是唱片和唱针的侧视图,里面说明播完唱片需要约 1 小时。
唱片封面的右上角显示了图像信号的波形、扫描时间(8 毫秒)的二进制符号与构成图像的直线的绘制方法。最下方表示,如果解码正确,这张图就是一个圆。
辉煌成就与巨大牺牲
虽然旅行者 1 号并不是第一个近距离探测木星系统与土星系统的探测器,但却得到比先驱者 10 号与 11 号更好的这两个系统成员的图像。此外,它发现了木卫一的火山爆发、发现了木星的环、发现了木星的8颗新卫星、近距离飞掠了土卫六、发现土星的 G 环、发现了土星的 5 颗新卫星,等等。它对木星系统与土星系统的观测进一步深化了人类对这两个气态巨行星、它们的卫星与环的物理、化学甚至生物学性质的认识。
旅行者 1 号拍摄的木星(右上)、木卫一(左上)、木卫二(中间)、木卫三(左下)与木卫四(右下)的“全家福”。这些图并不是同一张照片拍摄,而是由多个照片组合而成。图中它们的大小并不按比例。丨图片来源:NASA
旅行者 1 号在长途漫游过程中拍下的地球照片(“暗淡蓝点”)的意义超越了天文学范畴:在萨根富有感染力的表述广为传播之后,这张“暗淡蓝点”的图像成为人类对宇宙、地球与人类自身进行哲学思考的重要出发点之一,使人们对地球的渺小、孤单、脆弱与珍贵有了直接认识,也使人类对宇宙的浩瀚无疆有了直观体会。
此外,旅行者 1 号还是第一个离开太阳系的人造天体。它也是至今为止距离地球最远的人造天体。由于它的巨大速度,当前已经升空的其他所有人造天体都无法打破它在距离方面的记录。
尽管旅行者 1 号获得了众多杰出的成就,但它也付出了自己的代价。由于它近距离探测土卫六,它的轨道在土卫六的引力作用下发生明显改变,从而无法在飞掠土星后前往天王星与海王星。这是一开始就被制定好的计划。
当时旅行者号团队甚至还定下计划:如果旅行者 1 号探测土卫六失败,就让旅行者 2 号重复旅行者 1 号的任务。我们要庆幸旅行者 1 号成功完成了土卫六的探测计划,使旅行者 2 号可以在此后实现探测天王星与海王星的任务,从而基本实现了此前雄心勃勃的“行星壮游”计划。或者说,旅行者 2 号的能够完成“行星壮游”的壮举,要感旅行者 1 号的牺牲与成全。
注释
[注1] 原文:“Consider again that dot. That's here, that's home, that's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. ”“It has been said that astronomy is a humbling and character-building experience. There is perhaps no better demonstration of the folly of human conceits than this distant image of our tiny world. To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another, and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we've ever known.”对其他段落感兴趣的读者可以进入以下链接:https://www.goodreads.com/quotes ... arth-might-not-seem。
[注2] 天文学家对星际空间的边界存在争议。有些天文学家认为日球层顶不是太阳系与星际空间的分界线。这是因为,天文学家认为在更远的地方还有大量小天体围绕太阳公转,它们构成的一片区域被称为“奥尔特云”(Oort cloud)。如果以奥尔特云的外边缘作为太阳系的边疆,那旅行者 1 号还需要飞行近 3 万年才能离开太阳系的边界、进入星际空间。
[注3] 旅行者 1 号(与旅行者 2 号)的距离与其他信息的实时更新见:https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/
原创 王善钦 返朴 2023-02-19 08:00 发表于上海 |
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