了解科学 爱上科学欢迎收听科学时评话咱们书接上文啊上文书讲到了旅行者二号探索了天王星和海王星这是人类到现在为止唯一一次近距离的探测这两颗行星
所以旅行者二号也就成了唯一一个拜访过太阳系最大的四颗行星的探测器因为海王星是最后一个探索目标了因此未来也就不在乎什么轨道不轨道了所以就顺道去拜访了一下海维一就是和旅行者一号拜访土威六一样但是你拜访完海维一之后旅行者二号的轨道就偏向了黄道面之外
旅行者一号是从上边偏出了黄刀面旅行者二号是从下边偏离的这两枚探测器偏向恰好相反当然了这种偏向也就为日后的测控制造了一个不大不小的难题
1989 年的 10 月 10 号吧这个地面的测控人员就发出了指令把旅行者 2 号的相机给关了以后估计是再也用不着这相机了同时呢轨道调整用的小发动机也彻底休息了现在这探测器基本上就处于信马游江的状态除了调整天线对准地球以外也就不需要调整什么轨道了
所以现在旅行者二号的主要工作就是收集和太阳风以及星际空间相关的数据其他用不着的仪器通通就可以关闭了那年头的计算机本来就很简陋内存你能省一点就省一点吧同样旅行者一号的相机基本上也处于停用状态了本来你也没什么东西要拍摄的吧
但是偏偏有人就不干这个人就是卡尔萨根从 1981 年开始卡尔萨根就想让这个旅行者号探测器给地球拍一张照片但是一直就没入院其实呢就在 1977 年这旅行者号刚刚发射没几天的时候就为了测试相机好不好用的确是给地球和月亮是拍过合影的但那个时候距离近呢显示不出这个太阳系的宏大也显示不出地球的渺小
那为什么这卡尔萨根想拍一张渺小的地球呢那就是为了揭示地球的脆弱性他是想提醒公众啊地球是我们唯一的家园啊大家一定要保护好这个家园但是吧这话说回来这个地球就像是人类的摇篮人类是不可能永远睡在摇篮里的啊人类应该从更加广阔的视角看待宇宙看待自己的家园
大概就是反映这么个思想吧但是吧当时的反对意见也很多有人就担心呢现在距离太阳太近了万一你拍摄角度不合适让太阳晃了眼晃了镜头那传感器是会被损坏的呀这不划算的
其实 NASA 内部也有不少工程师还是支持卡尔萨根的只是这种事呢它没有现实的科学意义它最多只有个公关效果所以这事它一直都排不上号一直到旅行者一号已经完成了所有的拍摄任务未来有可能再也用不着这相机了而且现在呢太阳也已经足够远了它亮度很低也不用担心损坏摄像头了其实坏了也无所谓啊
所以呢这档子事才再一次提上了一时之称当时啊旅行者号的主要任务都已经结束了所以整个项目的优先级度不是很高这项目组的人手很可能就被抽调去干别的啊所以这件事一直就拖拖拉拉的你想啊你费劲巴拉的让旅行者号翻个身儿
当然不能只拍地球只拍地球那多没意思而是要拍一张太阳系全家福咱们把大大小小行星这个老的少的全给它囊括进来所以这张全家福实际上是一系列照片拼接而成的所以这也是一项比较复杂的任务
首先呢你得给这个任务编制一系列的行动指令然后呢还得计算每张照片的曝光时间这两部工作呢主要是由喷气推进实验室的坎迪斯汉森和亚利桑那大学的卡洛林波尔科完成的这两位呢还都是女性而且呢还是拍摄太阳系全家福的积极分子啊
估计他们也没少跟着卡尔萨跟起哄假样子最后呢这一串一串的指令就被上传到了旅行者号上距离这么远通信延迟是很大的当时的旅行者一号距离地球呢大概是 40 个天文单位用无线电波发送过去要走 5.54 小时好在呢 1987 年的 8 月份美国人呢对深空探测网络进行了升级啊
位于马达里还有加州哥德斯通还有澳大利亚的堪培拉的大天线口径呢从 64 米扩展到了 70 米对微弱信号的接收能力更强了这个旅行者号的成像科学子系统是由两台相机组成的一台呢是广角相机焦距 200 毫米它拍的角度比较广
另外一台呢焦距为 1500 毫米它是高分辨率长焦相机是用于对特定目标进行详细成像的这两台相机的感光器件啊都是慢扫描的电视摄像管而且还给这两个家伙配备了八个彩色滤镜是装在一个滤镜轮上就在 1990 年的 2 月 14 号情人节这一天旅行者一号开始执行这个复杂的拍摄任务你想啊
虽然这个旅行者一号的相机它没有完全关闭但是也很多年都不用了吧为了这次拍摄这相机启动预热了足足三个小时拍摄全家福用的是广角相机然后呢用长焦对每个天体进行拍摄特写然后把呢广角照片给它拉大把那个特写贴到对应行星的位置给它对准咯这样的话呢既能保证这个视野的宽广也能保证行星的清晰度这样的话呢
这两台相机前前后后要拍 60 多张照片然后发回地球做拼接我们现在看到的那张熟悉的著名的暗淡的蓝点照片其实就是其中的一张特写照片现在旅行者一号已经非常遥远了拍摄这些行星需要比较长的曝光时间才能获得比较好接受的那个图像质量你拍的太快那个噪音太大
同时随着距离的增加通信能力也会减弱也就限制了成像系统可以使用的数量你拍摄的照片太大吧它回传速度太慢这也不行是吧所以需要权衡考虑在拍完了这套全家福以后旅行者一号的相机就彻底休息了以后再也用不上了反正未来的任务也不可能去接近什么已知的重要天体了
但是其他的仪器还要连续工作很长时间所以不论是电力也好还是计算能力也好都要留给其他的仪器了拍摄完这些照片以后数据最初是存储在积载磁带里边
由于这个深空测控网络的主要工作都被分配给了迈哲伦号和伽利略号任务所以只能分出一小部分时间去对准旅行者一号所以呢这个测控网络它不是天天盯着旅行者号它必须等到分配给他的那段时间这段时间他才能对准这个旅行者
才能开始收发数据而且距离很远它数据传输又极慢所以这些数据是 1990 年的 3 月到 5 月期间发回来的这旅行者号把 60 帧图像传回了地球这前前后后花了两个月时间发送回来的照片是各个波段的单色图像你要拍摄彩色照片就需要用蓝色绿色紫色三张做叠加
有人奇怪啊你这个蓝色绿色好理解啊你怎么弄个紫色呢你怎么不是 RGB 呢那个红色去哪了呢这紫色呀实际上就是蓝色与红色相加获得的所以呢你这会儿用紫色减去蓝色得到的就是红色通道你就能拼出 RGB 了这三张照片的曝光时间是 0.72 秒 0.48 秒和 0.72 秒这个暗淡的蓝点这张著名的照片呢就是这么给拼出来的
2015 年也就是全家福拍摄 25 周年的时候这 NASA 又发布了用最新技术重新拼接的照片这个颜色呢就做了校正而且呢噪音也少了很多所以这张照片呢叫重仿暗淡的蓝点当时啊照片的分辨率都不高只有 64 万像素也就是 800x800 吧
如今哪个手机拍摄水平都比这个高他没办法呀这是 70 年代的技术嘛这个暗淡的蓝点这张照片之中啊地球所占的面积还不到一个像素根据 NASA 的说法是 0.12 个像素
照片上有一些长条形的光带这就是由于太阳光照到相机的遮光罩上被反进了阳光造成的磁光旅行者一号当时已经远离了黄道带拍摄视角和黄道面的夹角大概是 32 度左右
按理说呢这相机还应该能拍到月亮但是这个月亮实在太暗淡了它不经过特殊处理是根本看不见的就算看见它也只有一个像素这个广角照片呢用了最黑的滤镜结果只曝光了五毫秒即便如此呢依然曝光过度了这相机的光学元件和太阳产生了多次反射所以太阳看起来呢比实际尺寸要大得多
主要还是因为太阳实在是太亮了行星太暗这个反差他实在没有办法兼容
后来卡尔萨根为这张暗淡的蓝点照片发表了一篇演讲其中就提到再看一下这个小点吧它就在那儿那就是我们的家我们的一切在它上面有你爱的每个人有你认识的每个人有你听说过的每个人历史上的每个人都在它上面度过了自己的一生
想想这话还是挺感慨的呀在拍完这套全家福照片之后又过了八年也就是到了 1998 年的 2 月 17 号《旅行者 1 号》正式超过了《先驱者 10 号》成为了距离人类最远的探测器
再过六年到了 2004 年的 12 月 16 号旅行者一号就穿过了宫兴波我们知道啊一个小球在空气中飞行啊是会产生激波的你小球向前飞嘛前面的空气总要躲开吧是吧你不躲开那小球怎么过去啊
所以小球前面会产生一道弓形波如果小球飞得太快超过音速了那前面的空气来不及挡那么小球就像撞到一堵墙一样会产生非常大的阻力这就叫做音障同样太阳也穿行在银河系之中穿过弥漫在宇宙之中的星际物质也会产生一道弓形波
只不过太阳气这个小球它不是个实体而是吹出的太阳风构成了一个虚拟的边界就好像吹一个气泡旅行者一号探测器怎么察觉到自己穿过了光星波呢那是因为太阳风带电粒子吹到这儿已经没什么力气了它吹不动了它迎面撞上了星际物质双方差不多是势均力敌于是就产生了一个带电粒子的密集区而且周围的温度也会升高
在太阳风带电粒子和星际物质相撞的这些区域就会掀起很多湍流这个区域就是所谓的日翘层这个翘就是见翘的那个翘就是壳子说白了就是太阳风吹出来的大泡泡的外壁现在旅行者号已经进入这个气泡的外皮之中了不过呢这个历史性事件呢是事后从数据之中分析出来的
因为那天呢那个大天线刚好没对着旅行者号他干别的去了到了 2007 年 8 月 30 号这个旅行者 2 号也穿过了公行波进入到了日翘层那这回可就有准备了所以这一天大天线刚好对准了旅行者 2 号因此呢就获得了一手的测量数据和资料他那有点什么数据直接就发回来了
到了 2012 年旅行者二号就成了 NASA 运行时间最长的一个任务打破了先驱者六号此前保持的连续运行的记录这个先驱者六号连续运行了 12758 天这个旅行者二号超过先驱者六号了
到了 2012 年的 8 月 25 号旅行者一号正式进入到了星际物质之中也就是说旅行者一号钻出了太阳风吹出来的气泡外皮了它从皮里出来了这旅行者一号在这一天首次探测到了星际空间中宇宙射线的完整强度而且首次测量了包括在日翘层外侧的星际磁场
到了 2013 年的 4 月 9 号旅行者一号首次测量了星际介质的密度
当时太阳的一次日冕物质抛射引发的波动刚好抵达了旅行者一号使得星际空间中等离子体产生了回响这个回响的音高就表明这旅行者一号的等离子体密度比以前测量的高出了 40 多倍从而就证实了这枚航天器自 2012 年的 8 月 25 号就已经处于星际空间了当然了日翘层这个泡泡
它并不是太阳系真正的边界因为太阳系的疆域极其辽阔
引力范围起码是一光年到两光年只是在这个 POP 之外这旅行者号探测到的所有粒子都不是来自于太阳的而是来自于星际空间星际空间也不是空无一物还是有着大量的粒子在到处游荡的因为旅行者一号和二号越来越偏离黄道面所以美国人建的那三个大天线也不是每个都能和这两个探测器进行通信联系
旅行者二号对于北半球的马德里和哥德斯通测控站来讲它永远都在地平线以下它就只能靠南半球的堪培拉测控站来进行监控了反过来也是一样的偏巧 2020 年堪培拉测控站进行了技术升级结果就导致七个多月没有办法和旅行者二号进行联系
是后来呢才好不容易联系上从这开始呢这两枚探测器啊就开始隔三差五的出毛病了毕竟这岁数大了 2022 年旅行者一号上的姿态控制系统回报的数据出现乱码其他数据都没事就这个测控系统啊它蹦出来的字符是乱码
这个姿态控制系统主要是负责航天器的指向性最重要的就是保持天线对准地球现在地面测控站可以正常接收数据而且呢无线电信号的强度呢也不错就说明现在这个天线呢是正常工作的它正在精确的对准地球但是回报的姿态数据都不正常它一天到晚乱蹦自缚
这就说明这是一个误报它为什么会出现这个误报呢地面的工程师花了好几个月时间来寻找问题最后发现是姿态控制系统在通过一台早就停用的计算机回报数据这计算机出毛病了吗它回报的数据当然就不对嘛
地面发送了一个操作指令让这个自带数据通过另外一个正常工作计算机回传处理那么这个问题也就解决了但是大家还是纳闷啊这个旅行者一号他怎么就平白无故搭错机了呢你这个数据不走正常使用的计算机非要走停机的那边
这是什么道理呢这个错误是怎么发生的呢现在他们还是想不明白这边旅行者一号刚修好这旅行者二号又出毛病了到了 2023 年的 7 月份旅行者二号的天线呢它偏了它没指向地球你要知道啊这现在地球跟这旅行者二号相隔几十个天文单位这叫一个远的你偏这一丁点那指向就偏出去好远地面和测控系统通信就完全中断了
而且吧这还是一个人为的低级错误是地面发送给旅行者 2 号的指令还有错误结果就造成了这么一个严重的结果这天线偏了两度
这旅行者号呢有一套自动装置就是利用最亮的几颗星来确定自己的姿态比如说利用太阳啊利用老人星啊反正看几颗亮星就足够用了然后呢这旅行者号会定期执行校正工作啊到时候那天线就能对准预计呢是在十月份这个旅行者二号的天线呢就会回到正确的位置上但是吧这地面测红人员他不想傻等这两个半月啊
这都是无望之灾他们想尽快解决这个问题现在唯一能用的天线就是堪培拉的那个 70 米直径的大家伙正因为只有这一个测控站能通信也就做不到 24 小时无缝衔接这还麻烦所以测控和通信也是无法连续执行的就靠这个天线测控人员捕捉到了一个极其微弱的信号似乎就是旅行者二号
那个天线它虽然对歪了但是这个无线电波吧它毕竟不像光的指向性那么强你侧面呢多多少少也能露出一点信号所以堪培拉的那个大天线在确认了方向以后就以平常 2.5 倍的功率发出了一条指令信号这条指令信号就一句话就是启动天线校准程序
然后呢就是漫长的等待了在 2023 年的这个时间段旅行者二号距离已经更加遥远这无线电波跑一趟啊需要 18.5 个小时那边收到信号再发出一个应答一来一回大概就是 37 小时也就是一天半的时间
地面上的这些科学家在揪心的等待了一天半之后地面就收到了比较清晰的应答信号这旅行者二号这次算是恢复了数据通信这天线终于正过来了总算是有惊无险到了 2023 年的 11 月份这旅行者一号又开始作妖了又开始蹦乱码
这回呢是飞行数据系统出了问题这个 JPL 的工程师在排除了各种原因以后认定是内存坏了尽管损坏的部分只占了 3%但是缺了这个 3%它就没有办法完整的加载程序了我们地面上的计算机啊你要是内存条坏了你就换一个呗但是这个旅行者号它没得换啊
他也没法换呢他只能在程序上做文章了那咱们就只能节省内存呢这个程序啊咱们分布加载他不要一次性全加载咱们尽量别忘损坏的那一部分内存里边去存数据那这不就完事了吗说白了呀这个 70 年代制造的东西和现在的计算机都不好比呀
那时候你能用上个几 K 的内存就很不错了那新来的这些年轻工程师啊他都生活在数码时代但是他也得学会跟这些比自己老爹年龄还大的设备打交道这个过程基本上就如同罗斯科里做道场
另外旅行者号所有的资料都是纸质文件它可没有电子版一边翻纸一边敲代码它算是一种非常古老的体验了我小时候就这样没办法
你说全数字化吧不是不行啊技术上不是做不到但是没必要为了一个陈旧的探测器花那么多钱旅行者一号啊现在无线电跑一趟已经需要 22.5 小时了你走一个来回就是 45 小时这个地面修复代码发送过去最快也要 45 小时才有回音
还好旅行者一号收到指令以后进行了修复他终于不蹦乱麻了基本上恢复了正常到了去年 10 月份旅行者一号再次与地面失去了联系主要原因还是因为任务团队向旅行者一号发了一个指令要求探测器启动一个加热器但是这个指令意外触发了探测器的自动故障保护系统
说白了就是电力不足你一开加热器这电源罢工了这个机载计算机判断可能由于电力不足这就自主关闭了上面的最耗电的那部分就是主要的那个 X 波段无线电发射器它切换到了一个更省电的 S 波段无线电发射器
这个 S 波段无线电发射器它已经几十年都没有用过了当初发射的时候距离比较近这 S 波段的发射器还能凑合着用到了 1981 年这个旅行者和探测器就全部依靠那个 X 波段的大锅和地面进行通信了就再也没有用过这个 S 波段天线这 S 波段天线居然还是好的它还能工作哟
但是吧这个 S 波段无线电发射器信号太弱了大家就不得不小心翼翼的寻找这个 S 波段的联系信号前前后后又是折腾了两个月终于找到了旅行者一号的信号然后对着旅行者一号那信号来向就发送了一个启动 X 波段天线的指令然后呢就足足傻等了两天终于收到了这个旅行者号的回音这 X 波段的大天线重新开启重新信号再次恢复了
这次故障实际上也给大家敲响了警钟了这就说明旅行者号上的那个核电池啊已经都快到了风烛残年了它能够提供的能量只够开启四个最主要的仪器就这还勉勉强强的一点冗余量都没有了所以你开了个电炉子在上面它立刻就跳闸
所以呢这时候大家意识到最终这两个探测器有一天还是会停止工作的因为他们的电源在不断的衰竭尽管我们不希望这一天到来但是这一天是终将到来的我们要做好这个心理准备但是咱们也不能总指望这两个老家伙是吧人类还需要启动一轮又一轮的新的新兴探测计划
有关这些新的行星探测计划这档子事咱们下回再说科学声音