探测器列传：15.木星之旅
22:53 Share

了解科学 爱上科学 欢迎收听《科学史评话》上文书我们讲到了美国人开始把眼光投向了火星之外跨过小行星带之后还有广阔的空间需要人类去探测以小行星带为界往里就全都是岩石行星了往外就是气态行星的世界了那是一个完全不同的领域

其实呢这个计划不是一时兴起这跟天文学上的一个巧合有关系从 70 年代末开始一直到 80 年代初就会出现一次九星连珠的情况那年头啊这个冥王星还没有被降级所以大家认为呢太阳系有九大行星

九星连珠呢就意味着太阳系的几颗大行星啊会排列在太阳的一侧尽管没有办法完全排成一条直线而且呢经常也凑不起九颗星但起码四颗巨型的气态行星都是在同一边的但是这对行星探测器来讲啊是个千载难逢的机会 175 年才碰上这么一回啊

因为这就意味着只要把握好发射的时机控制好轨道就可以利用一颗探测器拜访好几颗行星所以 JPL 的工程师在 1964 年就已经初步提出了这个想法了这个方案还有一个好处就是可以借助引力弹弓效应借力打力获得加速不但节省了燃料而且还节省了整个计划的总时间你要知道那个探测器寿命有限的

如果你速度太慢的话实在拖不起他还是能快就尽量快一点 NASA 后来呢还真就采取了这个建议 NASA 的这个 AMS 研究中心提出了一个银河系木星探测计划发射两颗探测器一前一后穿过小行星带探索木星啊

因为借助了木星的引力弹弓效应这两个探测器也就不会成为绕着太阳转圈圈的人造行星而是一直向太阳系外飞去永远也不回头了我也不知道 NASA 高层是怎么想的明明提出这个设想的是 JPL 的工程师但是他们转头就交给了 AMS 研究中心这回没交给 JPL

一直到了 1969 年的 2 月份 NASA 才批准了这个计划开始正式执行了 NASA 就把当初先驱者计划这名字给拿出来了顺着号往下排现在轮到 10 号 11 号了于是这两颗探测器就叫做先驱者 10 号和 11 号

所以 70 年代初的先驱者 10 号 11 号和 70 年代后期的旅行者计划也就是旅行者 1 号和 2 号都是为了赶上 70 年代末 80 年代初的这一次行星连珠的机会这也是行星研究的一次高潮后来呢就没这好机会了探测器就只能一事一役一次去拜访一颗行星了

说实话先驱者 10 号和 11 号呢属于初学炸链这轨道怎么设计啊这上面应该装什么东西啊这都是一头雾水的所以爱慕斯研究中心当时面临的难题还是非常多的因为这颗探测器要在行星际空间漂很多年这寿命就不是金星火星探测器能够比的了

比如说木星和土星的轨道距离实在是太远了如果你用太阳能电池板电力可能就会不够了这能源问题都不好解决另外啊正因为木星轨道实在太远了需要非常强的火箭才能够获得足够的速度速度慢了时间太长那不行

那你要选用什么样的火箭进行发射呢采用什么样的结构呢再说了这个探测器啊它总是要进行姿态调整的总要进行轨道修正前途漫漫的啊这么长的距离你不做修正你想一次修打那么准那不太可能啊所以这个探测器必须带上小发动机携带液体燃料那么你怎么能保证液体燃料在太空里面保存那么长时间还顶用

接下来就是通信问题了木星轨道如此遥远发射的无线电信号如何精确的对准地球这地面上得架多大一口锅才能接到这么微弱的信号这也是一个前所未有的难题这些难题要一一解决的话这时间就不够用了那没办法呀 IM4 研究中心和承包商的工程师们就只能加班加点了首先要解决的就是能源选择的问题

既然木星轨道太阳光太弱那就只能选用核电池了也就是利用布 238 作为能源上次我们详细讲过核电源的材料问题先驱者 10 号用了 4 台同位素热电源利用布 238 的自发衰变放出热量然后利用温差来发电

因为这个东西会发热也为了让这个放射源呢尽量不干扰其他仪器这四个电源分成两组用两个支架伸出探测器之外这支架的夹角是 120 度就好像这探测器长了两个脊脚一样

这个先驱者 10 号啊那是标准的六边形战士啊这不是因为他能耐大是因为他那盒子长的真的是个六边形啊他从侧面伸出三根杆子两根短粗的顶端挂的是核电池又长又细的那根杆子呢顶端装的是个磁场强度传感器这东西怕干扰尽量给他支撑远点

除了测量磁场你高能宇宙实现总要测量吧紫外线红外线你总要测吧还有盖格技术器这少不了是吧微流星体技术器还有带电粒子测量仪啊什么辐射测量仪啊偏光望远镜等等仪器设备总之不是测带电粒子的就是测光的所谓的偏振光望远镜其实就是照相机它的口径呢是一英寸里边配了红光和蓝光的滤镜可以拍彩色照片

有人说不对呀 红绿蓝还差个绿呢没关系 不带滤镜拍摄的是黑白照片可以通过算法扣除红光和蓝光的颜色最后反算出绿色 那不红绿蓝就凑齐了吗这个探测器装了 6 个姿态调整发动机内部装了一个直径 42 厘米的球形燃料罐里边装的是 PN2 夹井加 4 氧化二氮作为燃料这两种物质常温下都是液体

狐狸需要耐腐蚀它不需要什么特别条件它能够在太空里面长期保存

当然了为了抗腐蚀这燃料箱你就得皮厚一点那管子阀门就需要特别的材料其他的就没什么特殊的了总之这个探测器从天线顶端到底座高度 2 米 9 天线直径 2.74 米这个探测器的轮廓尺寸就这么大重量达到了 258 公斤跟一辆重型摩托车差不多

因为火箭能力有限探测器不能太重你不能太重还要经久耐用这本身就是一对矛盾所以 IMC 研究中心的技术人员简直是罗斯科里做道场了

尽量节省每一克重量但是吧它有些东西真的省不下去这个即便是如此节省先驱者 10 号还是携带了一样看似比较多余的东西这是一个镀金的铝牌子被固定在了探测器的壳子上你上秤腰腰这东西也不轻足足 120 克重

宽度是 22.86 厘米高度是 15.24 厘米厚度呢是 1.27 毫米看着挺薄比一台 iPad mini 稍微大了那么一圈但是上秤腰腰这 120 克也就是二两多呀这不少了在这个牌子的左上角刻了氢原子的能级月铅图就是俩圈儿

这表示人类就是用这种方法来测量时间的氢原子呢处于电中性这个东西时时刻刻都在往外发射频率为 1420.405 兆赫兹的无线电信号这是射电天文学非常重要的一条谱线

大家注意我们日常使用的无线电频率基本上都避开了这个频段就是为了尽量不干扰射电天文观测因为氢元素是我们这个宇宙之中最丰富最丰富的元素了这个中性不带电的氢原子又是最典型的一个状态我们的银河系里也有大量氢元素

尽管它发出的无线电信号非常弱但是架不住氢原子数量太多这个频率的信号混在一起还是一个非常强大的射电信号源我们可以通过观测中信氢的这个 1240.405 兆赫的无线电信号就可以描绘出整个银河系的形状

银河系里面氢分子密集所以它发出的信号最强其他地方信号就很弱了我们在可见光波段红外线波段能看到的东西都是温度比较高那些闪闪发亮的东西那些平常不发光的氢分子我们是根本看不见的但是你用无线电就能看到这种广阔的氢分子的存在

所以用射电波段去观察银河的话它的范围要比可见光波段大的多了同时我们也可以观察到银河各个角度的中性氢信号的多普勒平移因为银河系在旋转在运动

然后呢就可以利用这种多普勒平移来反推整个银河系各个旋臂各个星体的旋转速度这种方法呢也是测量和计算银河系整体转速的一个有效手段

那测银河系转速有啥用啊那你就得去复习复习以前的课程啊啊你就得知道这暗物质是怎么被发现的了是吧所以啊你别看这牌子左上角只画了两个圆圈表示氢原子啊其实设计者的意义是很深的这俩氢原子就是构成了一个氢分子嘛是吧这事很重要啊

左边中间画了 14 条放射线中心就代表地球线的角度和长度代表地球到周围 14 颗最亮的脉冲星的位置这些线条也不是连续线条而是像电报那样有短线和长线组成的其实这就是二进制编码表示这些脉冲星的自转周期

这牌子左下方呢刻着大小不一的圆圈就表示太阳系九大行星而且还画了一条线从第三颗行星上延伸出来跨过最大的一颗行星以后拐了一个大弯这实际上是表示着先驱者 10 号的飞行路径

孩子右边中心画了一对裸体的男女表示人类这个人类男性还举着个手表示问候人体的身边画了一道弧线这实际上就是先驱者 10 号探测器那轮廓这弧线就是那大天线嘛那口大锅这个大天线和人身体的比例是完全符合实际的这就是用来标定我们人长得到底有多大

你说这牌子到底干啥用的呢其实就是向外星智慧生命自爆家门就是告诉外星人时间是如何计算的以及我们人类计时的方法然后找出那几颗周期相符的脉冲星只要找到这几颗脉冲星就能反推出地球的位置接下来的内容就是介绍我们是谁我们是啥模样我们态度是友好的 I'm here

我有理由充分怀疑这帮设计者是闲吃萝卜蛋操心您画这东西别说外星人看不懂你把这东西给地球人看他都未必能看明白再说了这东西哪怕飞出去几百万年都未必碰得上一颗行星这个宇宙空间太空旷了

而且呢这颗行星还未必存在智慧生命您这心操的有点太远了到底是谁出的这主意呢

想出这个创意的人叫埃里克·伯格斯他是基督教科学真相的记者也是专栏作家而且他还是一大堆协会的会员比如说英国皇家天文学会什么美国宇航学会他这名头多了去了他为先驱者计划写了很多文章和当时在 NASA 工作的卡尔萨根特别熟他把自己的想法一说这卡尔萨根马上一拍大腿来了兴趣

是卡尔萨根大报告申请在先驱者 10 号上面装了这么个牌子至于牌子上放哪些内容呢那是卡尔萨根和德雷克两个人设计的这二位是大名鼎鼎吧这德雷克是专门研究无线电天文学的他主持了搜寻外星人的无线电信号这个工作还主持了阿雷希伯天文台的扩建这位也是个强烈的外星人爱好者

牌子上那俩裸体小人呢那是卡尔萨根的妻子画的卡尔萨根第二任妻子他刚好是个艺术家这个牌子一饰两份一个装在先驱者 10 号上一个装在 11 号上

哈尔萨根干这事儿上瘾他就喜欢诸如此类的行为艺术在他的推动之下旅行者一号和二号已经不装金属牌子了他改成多媒体唱片了不过这都是后话这也是 NASA 公关活动的一部分 1972 年的 3 月 3 号先驱者 10 号就发射升空了这次用的还是擎天神加半人马座上面级但是为了增加推力

在这个半人马座上面级上面它又装了一个斯大 37E 固体火箭这个家伙呢完成先驱者 10 号的最后加速就靠这临门一脚足以把这探测器送出太阳系了这次火箭发射非常成功这探测器就被加速到了 14.4 公里每秒远远超过了第二宇宙速度

11 个小时之后这先驱者 10 号就已经路过月球了由此可见这家伙飞得有多快为了稳定自身的姿态这先驱者 10 号呢一开始是每秒转一圈的速度快速旋转等到这三根拉杆伸出来了这转速也就降低了一分钟 4.8 圈这个过程是符合脚动量守恒的啊

反正先驱者 10 号使用核电池它不需要太阳能电池板因此就没有对准太阳的必要只要轴线上这口大锅能对准地球的方向就行了所以它就可以采用这种自旋稳定先驱者 10 号需要的总能量大概是 100 瓦左右

出发的时候电池功率是 155 瓦这是很有富裕的根据计算等飞到木星的时候这功率就会衰减到 140 瓦依然是富户有余大概 30 年之后会衰减到 80%但是把热能转化成电能的热电藕它老化的更快估计到时候整体算下来就只能提供 60%的电力了

到那个时候呢仪器就只能选择性的开启它没有办法同时开启了

不过这已经远远超出了 NASA 当时的计划 NASA 觉得你能坚持两年就足够用了当然时间是越长越好嘛但是没想到一下坚持了那么久于是呢这个先驱者 10 号就这么一路转着圈奔着木星就去了十天以后探测器上的仪器就开机了先驱者 10 号就成了第一个探测到行星系氦原子的探测器还捕捉到了来自太阳风的铝离子和钠离子

在发射了仅仅 12 周之后这个先驱者 10 号就穿过了火星轨道

这 12 个礼拜不就是三个月吗过去那火星探测器起码走七个月由此可见这先驱者 10 号跑得比别人快多了到了 1972 年的 7 月 15 号先驱者 10 号就进入了小行星带了成为了人类第一个进入小行星带的航天器到了 8 月 7 号这先驱者 10 号就探测到了一次猛烈的太阳风暴而且探测到了风暴产生的激波

这个先驱者 9 号也参与了这次观测大家别忘了啊我们以前可提到过这个先驱者 9 号这就是一个廉价低配版的太阳系探测器但是它有个好处那就是寿命长着呢

在穿越小行星带期间呢这先驱者 10 号上的这个尘埃颗粒探测器和微流星体的探测器就没收到多少信号啊这频率不高这说明呢小行星带还是非常非常空旷的我们现在看到很多科普影视或者科幻作品总是把那小行星带描绘成密密麻麻的到处都有小电体

其实呢真实情况根本就不是这样行星际空间的空旷是难以想象的这小行星带虽然小天体看上去比较多但相比之下这空间更大了不过呢话又说回来这行星际空间它不是完全的真空它多

它多多少少还有那么一点物质我们太阳系内的大部分物质都集中在了一个扁平的盘子上我们行星不都是集中在一个扁平的盘子上吗这个扁盘子上的物质横竖要比周围的那个真空环境啊还是要多了那么一点点

这一点点物质呢多多少少都会反射那么一点阳光这点光是可以被观测到的这就是所谓的黄道光因为从地球上观测呢这些物质啊总是集中在黄道带所以先驱者 10 号呢也对这些颗粒进行了统计对黄道光做了探测转过年来到了 1973 年的 2 月 15 号了这先驱者 10 号安全的穿过了小行星带下一站那就是木星了

到此为止呢它已经飞行了 4.35 亿公里的距离但是从小行星带到木星还有好远好远的这 2 月 15 号是个啥日子呀那是春节刚过还没到元宵节呢是吧但一直到 11 月份飞了这么长时间这先驱者 10 号才接近了木星的范围

这个地方距离木星是 2500 万公里这个时候地面 M4 研究中心的团队就开始发出指令了开始测试先驱者 10 号的成像系统也就是说打开望远镜准备拍照了这个时候木星在照相机的画面上还是一个绿豆大小的小光点

拍到的照片要花好久好久才会传回地面因为这个时候探测器和地面的通讯速度是 256bit 每秒随着距离越来越远这个通信速率还会进一步下降因为信号变得越来越微弱就这样这先驱者 10 号呢就一边往前走一边往回发照片大家从图像上就看到这木星越来越大越来越大了嘛

也就是说探测器距离木星越来越近了又过了 20 天的样子

这时候我就出生了啊我是 1973 年 11 月生的就在我出生两天以后这先驱者 10 号就探测到异常情况了就探测到太阳风的粒子数目急剧减少周围的温度升高了 100 倍这说明啥呢这说明先驱者 10 号已经进入到了木星磁场的边缘了这太阳风啊高能带电粒子遇到木星的磁场啊就会被迫拐弯绕着走了

这一绕它就不得不急剧减速这动能就会有损失了这动能就会变成热量释放出来周围的气温呢也就跟着急剧升高了当然了这里气体分子极少极少啊

但是再少它也还是能折算出温度的到了 1973 年的 11 月 29 号先驱者 10 号距离木星比任何天然卫星都要更近了在这个距离上你随随便便拍一张照片就比地球上所有望远镜拍摄的木星都要更清晰更大当然了先驱者 10 号它是没有办法刹车的它只能飞掠而过因为

因为木星强大的引力这先驱者 10 号就绕着木星拐了一个类似发夹弯借着这一次绕到木星身后的机会这个先驱者 10 号顺便利用和地球的无线电通信测量了木星大气而且还顺便给木卫 2 和木卫 3 拍了照片

这两个卫星体积太小拍出来的照片比较糊像素素数太少了但是吧这两个小家伙反射率怎么那么高啊怎么那么亮啊所以反射率高是确定无疑的但是大家当时还不知道原因

后来大家才知道这两个小家伙的表面覆盖着厚厚的冰层那冰雪的反射率能不高吗就在先驱者 10 号靠近木星的期间就发现木星本身的辐射是非常强的是预期强度的十倍结果这先驱者 10 号的仪器就出现了暂时的失灵在整个系统彻底报废之前的几分钟这辐射突然停了这是命不该绝这是老天爷眷顾

尽管当时干扰比较严重这个先驱者 10 号还是发送回了 500 多张照片科学家们看到了非常清晰的大红斑哎呀这照片太好看了总而言之这次先驱者 10 号的探测任务可以说是收获满满成果丰硕

然后呢这事还没完呢这个先驱者十号啊就借着木星的这股甩劲他一拐弯就奔着下一站吐星去了有关后边这档子的事呢咱们下回再说科学声音