本文轉自：中科院之聲

編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

1977年8月20日和9月5日，美國國家航空航天局（NASA）先後發射了兩枚名為“旅行者”（Voyager）的探測器。45年過去了，它們仍在宇宙拓展著人類的認知。它們是人類最著名的外層星系空間探測器，兩個姊妹探測器沿著兩條不同的軌道，向著太陽系外飛行。

雖然旅行者1號仍在正常執行，但據報道稱，科學家最近注意到探測器姿態關節和控制系統（AACS）的資料並不能反映飛船的實際情況，“所有跡象都表明AACS仍在工作，但它返回的遙測資料無效，比如看上去像是隨機數，或者不是設定好對應某種狀態的資料範圍”。旅行者2號探測器目前倒是運轉正常。不得不說，它們都已經老了，能源也在不斷衰減，儘管任務團隊已經關閉了一些元件來節省能量，但目前估計也只能讓探測器繼續工作到2025年。

旅行者號的外觀（圖片來源：NASA）

旅行者號飛船無疑是人類最尖端的探索最神秘宇宙區域的人造物體之一。大家可能都見過一張名叫“暗淡藍點”（The Pale Blue Dot）的地球經典畫像，它由旅行者1號飛船於1990年2月在離地球60億公里的地方拍攝。

雖然地球只是“懸掛於陽光中的一粒微塵”（a mote of dust suspended in a sunbeam），但“那是家，那是我們”（That‘s home。 That’s us）。

旅行者1號拍攝的“暗淡藍點”（The Pale Blue Dot）（圖片來源：NASA）

在旅行者號飛船或將凋零的今天，我們來盤點一些與旅行者號飛船相關的科學問題，致敬人類太空探索的先行者，也被認為是有史以來最偉大的太空任務之一。

編者按：

雖然對於飛行在太陽系中的探測器而言，太陽的能量是能近乎無窮無盡的，但當旅行者號飛行到距離太陽較遠的太陽系邊際區域時，太陽的光照強度已經非常弱了，難以用來發電，所以旅行者號飛船的供能主要依靠內建的核電池。

旅行者號的放射性同位素的溫差發電機外觀（圖片來源：NASA）

我們常說的核電池，與核電站當然是不同的，通常指的是放射性同位素的溫差發電機。旅行者號中的“核”原料是鈽-238放射性同位素，由於鈽-238的半衰期是87。7年，它被設計為可以供能到2025年，功率大約會從400瓦下降到200瓦。

憑藉這幾百瓦的電能就足以讓它飛200億千米了嗎？當然也不是。人造探測器能夠離開地球進入太空，主要靠帶它擺脫地心引力的龐大火箭的動力。進入太空之後，阻力近乎為0，探測器可以靠慣性飛行。雖然，探測器受到了地球和太陽這樣巨型天體的引力制約，但巨型天體的引力也給了探測器“借力”的機會，利用“引力彈弓”的效應加速，不斷達到更高的速度。

什麼是“引力彈弓”？就好比高速飛過來的足球，用力踢回去，球可能飛得會比來時更快。迎面飛向太陽系中星球的旅行者號，在引力作用下被扭轉了飛行方向，飛回去的時候又附加了星球自身的飛行速度。如下圖所示，旅行者號在經過幾次引力彈弓加速後，每次速度都能大幅提高。

旅行者號的幾次引力彈弓加速，Earth為地球，Jupiter為木星，Saturn為土星，Uranus為天王星，Neptune為海王星（圖片來源：NASA）

旅行者號攜帶了一定的燃料，用於不斷對飛行姿態和軌道進行“微調”，進行多次引力彈弓作用之後，在45年間才能飛到如此之遠的深空。

"浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

經常有媒體報道說旅行者號已經飛到太陽系之外，這實際上大錯而特錯——再給它1萬年也飛不出去。NASA曾宣佈的旅行者號飛出了“邊界層”，也就是“日球層”（Heliosphere）。這究竟是一個什麼樣的層？

其實，看似空無一物的太陽系空間，充滿了太陽大氣放出的等離子體帶電粒子流，被稱為太陽風，73%是氫（質子），25%是氦（α粒子）。太陽風離開太陽後還會加速到超聲速，平均可達每秒300-700千米，但在遠離太陽處與星際物質碰撞，達到平衡並減速，甚至停止。一個簡單的比喻，日球層就好像太陽風吹進星際空間物質中的氣泡，氣泡的邊界就是旅行者號穿越過的邊界，距離地球大約180億千米，這比冥王星的距離（約74億公里）要遠得多。

日球層（藍色）示意圖（圖片來源：NASA）

太空中飛行45年超過200億千米，旅行者號用的什麼能源，是太陽能嗎？

瞭解了前兩個問題，大家可能會提出一個新的問題——既然太陽系的行星們一圈一圈繞著太陽飛行，好像一個圓盤（“圓盤”的面稱為黃道面），旅行者號幹嘛不垂直著飛，豎著不就不需要經過海王星、冥王星，很快就飛出太陽系了？

其實，以太陽為中心，被太陽引力吸住的“太陽系”，由於引力向各個方向是相同的，太陽系也是一個球形，想要飛出太陽系，向哪裡飛都是一樣遙遠。只不過，我們地球所處的太陽系內層，行星們跟隨太陽的自轉也在圍繞太陽轉，構成了一個“圓盤”形。下圖是距離太陽較遠的“奧爾特雲”（Oort Cloud），在距離太陽上千億千米之外，由數以億計的圍繞太陽飛行的小天體組成。

太陽系的奧爾特雲（Oort Cloud）（圖片來源：https：//space-facts。com/oort-cloud/）

我們前面講過，旅行者號的飛行經過了幾次“引力彈弓”的加速，因此，它們在太陽系黃道面附近飛，從一顆顆大行星旁邊飛過是非常有意義的，自然不能“垂直圓盤”去飛行。

實際上，旅行者號也有探索遙遠行星的任務，咱們看到的高畫質的土星、天王星、海王星、冥王星照片，都是由它拍攝和傳送回地球的。

行者號飛出太陽系了嗎，或者有機會飛出去嗎？

既然旅行者號把遙遠行星的照片從上百億千米外發送回來，那說明它們與地球是可以通訊的。其實，它的通訊方法一點也不神秘，就是用的無線電通訊，跟手機通訊是同一個原理。我們看到旅行者號的外觀整體就像一個鍋，直徑達3。7米，這就是它龐大的天線，主要為了能跟地球之間收發無線電。

旅行者號原型機，上方的“鍋”是天線（圖片來源：NASA）

不過，我們去爬山的時候就很容易因為附近沒有基站而找不到手機訊號，想想下茫茫宇宙中的旅行者號，訊號是何等微弱？旅行者號的天線再大也有極限，這就需要地球上有非常強大的天線，來接收旅行者號從宇宙深處發回的訊號。NASA於20世紀60年代開始建造深空網路（Deep Space Network， 簡稱DSN），由直徑達70米的巨大天線組成。後來用於旅行者號訊號接收的3個主要站點，分別為“戈爾德斯通深空站”（Goldstone View）、“馬德里深空站”（Madrid View）以及“堪培拉深空站”（Canberra View）。如上圖所示，這3個站點在經度方面分佈均勻，可以避免因地球自轉而產生的“通訊盲區”，從而實現與旅行者號全天24小時的不間斷通訊。

深空網路3個天線站位置（圖片來源：NASA）

旅行者號為什麼不垂直飛出“圓盤”一樣的太陽系？

絕大多數衛星計劃都是集中於幾個AU（天文單位，等於1個日地距離）以內的內日球層探測，少數飛船在圓滿完成既定的行星探索任務之後，會踏上了星際探索的征程。例如2006年1月，新視野號（New Horizons）發射升空，科學目標是對冥王星、冥衛一等柯伊伯帶天體進行探測，預計將於2038年飛臨日球層邊緣。然而，這些都不是專門針對太陽邊際探測的科學衛星計劃，其軌道設計、載荷配置在進行拓展任務時都有很大的侷限性。

近年來，中國科學家正在論證太陽邊際探測的重要性和可行性，歐洲最近也提案了新的太陽邊際探測器計劃。今年3月，全國政協常委、中國探月工程總設計師吳偉仁在接受中新社記者採訪時表示，中國正在組織專家深化論證太陽系邊際探測方案，計劃於2049年實現100個AU，也就是150億千米遠的深空探測。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。”自古以來，仰望星空，人類對於宇宙的好奇心是代代相傳、無窮無盡的。透過回顧飛行時間超過45年、飛行距離超過200億千米的旅行者號飛船，我們再一次體會到了人類探索太空的初心和決心，空間科學和空間技術的完美結合。展望明天，人類註定將走出地球母親的懷抱，望向更深更遠的宇宙空間，發現越來越多的星辰奧秘。