空间

触摸太阳系的边缘:Voyage-1的太空探索

旅行者1号太空飞船-voyager-1 spacecraft

图1 “旅行者”1号宇宙飞船(Voyager-1)(图片来源:NASA

一、去吧,去触摸太阳系!

1977年9月,一颗体重为722kg的宇宙飞船”旅行者”1 号(Voyager-1 )带着神圣的使命在美国腾空,这次腾空同时也代表了美国的高度。

这个使命甚至用现在的眼光来看,也是那样不可想象:触摸太阳系的边界!

是的,此前两个月,”旅行者”1号的妹妹”旅行者”2号就已经先行一步,迈向了太空。

这两姐妹要做的事实在很多,除了沿途不断地给太阳系拍照外,她们还希望能碰到外星人:她们带着地球的问候语”行星地球的孩子(向你们)问好”,希望能被外星人听懂。此外,飞船上还有中国的京剧和古曲《高山流水》!看吧,这两个才是中国文化的精华啊!

那是个冷战年代,那个时候的中国,正酝酿一场伟大的社会革命:改革开放!而美国人,却把自己的触角伸到了太阳系。

二、太阳系,你有多大?

图2 旅行者姐妹正在触摸太阳系的边界。(图片来源:NASA

太阳系到底有多大,太阳系的边界到底在哪里?

哲学家康德曾说让他心灵震撼的一是头上的星空,二是人间的道德法则。一想起星空,人类就会觉得世界很奇妙,就会不可遏制地问自己:人类到底来自哪里?宇宙到底有多大?宇宙外面是什么世界?

好了,先别管宇宙了,先问问自己,太阳系到底有多大?

太阳系的边界通常有两种定义:

1,狭义的一种是以冥王星轨道为界,冥王星与太阳的平均距离是59亿公里。

即使这个距离很近,但人类至今还没有专门的宇宙飞船探访过这个因为个头太小而被踢出行星行列的家伙!不过,2006年美国在卡纳维拉尔角发射了世界首个冥王星探测器”新地平线”号,此刻正风尘仆仆地赶往冥王星,如果中途不出交通事故的话,估计到那里的时间是2015年。

地球到冥王星 ,飞10年!

还好,10年说快也快, 先驱者10号和11号、旅行者1号和2号如今都已突破了这个界限。

2,广义的一种则是由带电粒子组成的太阳风伸展范围的边缘,它离太阳的距离为85至120个天文单位。这个距离,按照1977年的科技水平,至少要飞30年左右。

想一想吧,要飞到太阳系边界,30年!容易吗? 你能保证小飞船在太空30年不出交通事故,保证他身体一路健康吗?保证他有充足的能量支撑他走到终点吗?但我们总得往好的方面想,NASA祝愿他的飞船一路顺风,希望他能活到2015年呢!

旅行者1号和旅行者2号

三、漫长的旅途

旅行者现在飞到了哪里?

2006 年, 转眼间,”旅行者”1 号在太空也已经遨游了近29 年(如果他还活着的话)。按照美国航空航天局(NASA)计算的坐标系,旅行者1号应该 距离地球大约147 亿公里 (NASA, 2007) ,也就是98 个地球到太阳的距离(即98 个天文单位),约3 倍地球到冥王星的距离。这 正是太阳日球层顶即太阳系的边界。

四、旅行者,你还活着吗?

这个距离,不用说,无论人类用什么太空望远镜,都不可能看得到小小的太空飞船。

但是,一个激动人心的时刻发生在2006年的3月,而创造这次记录的竟然是一群业余天文爱好者!

2006年3月,一群来自德国的天文爱好者(AMSAT)宣布自己追踪到了旅行者1号!他们给NASA的科学家发信,宣布自己的发现,并很快得到了证实。

五、怎么追踪旅行者?

“旅行者”1 号虽然早就消失在人类视野中,但它也并非无迹可寻,因为它还在恪尽职守地往地球发射电磁波信号,而追踪它的前提是地球上的天线能够接收到飞船发回到地球的信号,并且通过一定的技术处理方法检测出这些信号。

但是,飞船信号抵达地球时功率非常小,旅行者1号发回来的信号大约是一枚普通电子表电池功率的200 亿分之一.( 方玄昌, 2007,我曾经发邮件向方老师请教怎么计算这个功率的,可惜没回信。谁知道的告诉我一声!谢过。)

图3 利用长观测时间技术,这些天文爱好者从6 分钟的电磁波数据中追踪到旅行者1 号发到地球的信号。(来源:AMSAT-DL

这么小的功率,怎么还能追踪得到呢?太神奇了!我也很奇怪,也想请教人。资料说是根据长时间观测技术(long integration technique),原理是多普勒频移(这些天文爱好者还专门做了PPT给世界各地的爱好者做了次报告,告诉大家他们是怎么找到这些信号的)。具体细节的我就不知道了,但我们还是来看看那些收到信号的天线吧。

图4 第一张是大天线外观图,这个时候,天文台的窗口还没有打开。中间这张图是站在大天线脚下的仰视图。第三张图就是收到”旅行者”-1号发回信号的大天线,这个大天线的直径达到20米。(图片来源:MASAT

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