Deep Dive
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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们还是书接上门呢这一次终于要讲到大名鼎鼎的旅行者计划了这个计划可以说是 70 年代实施的最令人激动的深空天体探测计划咱们在前面已经讲到过了从 60 年代开始 NASA 的工程师就已经发现了在 80 年代会出现一次难得的九星连珠的现象
这就为用一颗探测器去拜访一大串的行星创造了有利的条件先驱者计划呢只是第一次试水喷气推进实验室最开始提出这个设想的时候呢计划是很大的但是当时啊 NASA 的主要资金都用在了航天飞机计划上因此行星探测器呢就只能缩水了所以当时呢这两个探测器就被称为水手 11 号和 12 号但是后来因为
设备已经足够先进了已经完全超出了水手探测器的平台性能到最后就把这个项目的名字给改了就叫做旅行者计划了这两个探测器也就被改名改成了旅行者一号和二号但是不管怎么说吧这个计划毕竟是有点缩水所以这两颗探测器的任务进行了取舍
首先要执行的就是木星和土星的飞跃计划还要拜访土星最大的卫星泰坦如果这个计划成功了那么第二颗探测器就可以执行大巡游任务了也就是用不着再去拜访泰坦了而是利用引力弹弓去执行天王星和海王星的探测计划
如果说第一颗探测器不成功那么第二颗探测器就得作为备份调整轨道去重复第一颗探测器的任务
总而言之就是木星土星这都是重点在保证完成任务的前提之下顺带再去拜访一下天王星和海王星所以呢到最后啊经过一番任务调整这个旅行者二号啊反而是先发射的他可以在路上慢慢溜达啊但这个旅行者一号呢是后发射的但是他走了一条快速的轨道因为旅行者一号的任务更加简单
土星的大气层非常非常的浓密土卫六泰坦也是拥有大气层的卫星旅行者为了考察这两个家伙就不得不拐弯离开黄道面也就没有办法再考察其他的行星了太阳系的大行星都是位于黄道面附近的这两个探测器上的设备基本上都是一样的探测器上最主要的设备就是科学成像系统
说白了就是一个照相机这个照相机有两组镜头一组是长焦一组是广角这还是一个多波段照相机可以通过更换滤光片拍摄各个波段的图像
这两个探测器上还带着红外线干涉光谱仪这个东西对热量是非常敏感的可以探测云层的结构也可以研究大气的对流状况到底有没有雾霾就全靠这个光谱仪了旅行者号探测器还带有无线电探测装置这个探测装置对于 20kHz 和 40.5MHz 两个频段进行接收
要知道土星木星都是带有强磁场的磁层和等离子体共振都会发出各种各样的无线电波这种无线电波就和黑体辐射无线电波还不太一样所以就非常值得好好地进入研究
当然了这个探测器上还有什么紫外光谱仪宇宙射线探测器等离子体探测器等等的这种科学设备而且这两个探测器都采用了核电池它不需要太阳能电池板结构上也就显得比较简单它寿命也长
要知道啊在太阳系边缘呢这个太阳已经跟一颗恒星的亮度没啥差别你指望着靠天上一颗星星的亮度来驱动这个太阳能电池实在是异想天开干脆咱们还是用核电池吧这东西比较可靠对了旅行者号上还装了一套金唱片还是外带播放装置的使用方法呢都写在那个铝制的外壳上了
这个想法呢又是卡尔萨根提出来的啊这个家伙满脑子都在想着向宇宙散播一下人类存在的痕迹生怕外星人不知道我们在哪儿
这个唱片是铜的外表镀了一层金直径 12 英寸里边包含了 55 种语言的问候而且还有很多地球上的自然之声比如说海浪声风声打雷鸟叫鲸鱼的歌声当然还有一些其他动物的叫声另外唱片上也记录了很多民族的音乐其中就包含了我国的古琴曲《流水》
这张唱片上还记录了 115 张照片这些照片都是模拟格式说白了就是一行一行的图像波形它不是什么数字格式这样的话比较容易解读唱片的播放装置上还附带了一个高纯度的 U238 这个东西是会衰变成土元素的
这个半衰期是 44.5 亿年如果旅行者号探测器真的被外星人捡着了被他们拆开研究了那么这帮外星人就可以通过这块金属上面油元素和土元素的比例来计算旅行者号探测器的出发时间它到底在太空里飞了多长时间了这就能算出来
那么你有了时间了你也知道它的速度大致就可以判断出它飞了多远的距离你别说啊这个卡尔萨根和德雷克他们几个想的还挺长远的估计呢这个东西被外星人捡到的机会是极其渺茫的所以我们也不用担心会引起什么外星人入侵要入侵的话人家早入侵了
这个东西实际上是一个公关造势的活动它本质上就跟烧香拜佛差不多你以为这个烧香是给神仙上供其实还是做给别人看的《旅行者 2 号》是 1977 年的 8 月 20 号发射的比《旅行者 1 号》早了两个礼拜
1978 年旅行者二号就穿过了小行星带但是因为地面人员的疏忽有一段代码忘了传到探测器上结果就导致探测器的高增翼天线出现了故障也就导致地面和旅行者二号差点联系不上好在通过备份通信系统还是可以接收到信号的
但是因为吧这个通信系统之中的元件出现了故障就导致这个备份通信系统带宽特别窄也就是说呢这个无线电频率稍微有一点偏差它就受不到了
你别忘了啊这个探测器本身它是在高速飞行然后地球呢也在自转地面测控站的无线电信号它是跟着地球一起在自转的因此从地面上发出去的无线电信号它是有多普勒频移的一旦这频率跑了那接收信号就有点困难所以它有点时段时序的意思
这是一个特别麻烦的故障但是没办法只能这样这旅行者二号就是靠这套备份系统一直坚持下来了也实在是难为这个探测器了旅行者一号别看他出发晚但是他速度更快 1977 年的 12 月份他就已经抵达了小新星带了
然后呢他就超过了旅行者二号一号呢比二号更早到达木星从 1978 年的四月份开始呢这旅行者一号就开始执行木星成像任务了
其实这个时候呢它自己距离木星还很远很远的基本上也看不清楚什么一直到 1979 年的 1 月份才传回了木星的高清大图这个旅行者号的相机就比先驱者号要强多了通过对照片的解读就发现呢今年木星比前几年先驱者号拜访的时候更加动荡说白了就是大气层里的漩涡更多呗
而且旅行者号还给木星拍了个延时摄影就是每隔 96 秒钟就拍一张照片一共拍了 100 个小时基本上是把木星自转给拍了个 10 遍木星它是由一个流体组成的球赤道上的自转速度和两极还不太一样平均下来是 10 个小时就自转一圈
这么大一个球它又不是那种硬邦邦的钢体而且自转速度比地球自转还要快一倍多所以整个木星都被甩起来了说甩扁了肉眼可见木星就是一个扁球它的赤道半径远比极半径要大得多 1979 年的 10 月份这个旅行者一号就飞进了木星的卫星系统了到木星之前先碰到它那一大堆卫星
就发现木星也有一个非常非常稀薄的光环这个光环主要是由尘埃构成的因此它不怎么亮
那土星环为啥这么亮呢因为土星环就是小冰颗粒组成的那冰颗粒不就是雪吗那反光度能不高吗是吗可是尘埃就没有这么亮了因此一直到旅行者一号探测器飞近了才探测到原来木星还有这么一条非常暗弱的尘埃环呢
估计这个环呢是撞了造成了个尘埃飞溅最后就绕着木星散布成了一个圈但到底是谁跟谁撞了那就不好说了
接下来探测器就运行到了距离木星最近的点距离木星表面大概是 28 万公里距离这么近当然就好好拍照片了另外探测器上的其他传感器也开足马力开始记录数据旅行者一号足足拍了两天多时间然后就沿着既定轨道逐渐远离木星
随后呢旅行者一号就拜访了木卫五啊木卫一啊木卫二啊以及木卫三木卫四基本上就是把那个大号的卫星啊全部拜访了一遍木星有 67 颗卫星实在太多了能只能挑点重点的拜访啊大家发现呢最神奇的就是这个木卫一这个木卫一上特别热闹
因为这颗卫星上起码有八个极其活跃的火山正在把某些物质抛洒向太空说白了就是这八个火山喷了这个家伙可能就是太阳系里头最活跃的天体了这个木卫一的直径啊有 3642 公里这家伙比月亮还大得多它表面颜色是亮黄色的看起来呢
就是因为硫磺太多了你隔三差不如火山爆发这硫磺能不多吗这也说明啊木卫一这个家伙拥有一颗比较大的内核这个内核要么就是铁元素要么就是硫化铁啊而且呢这个木卫一表面几乎就没有撞击坑也就是说
它表面翻新的速度特别快你想吧刚撞了一个坑没多久这个表面就被岩浆浇了一层即便有个坑它也填平了
正因为木卫一喷发特别频繁这个天体它又特别小它引力也小因此喷出去的东西轻轻松松就被送到了太空里但是木星引力大所以喷出去的这些乱七八糟的物质就绕着木星的磁层形成了一大片等离子环所以这个地方的电离辐射水平也非常高到了 1979 年的 4 月 9 号这个旅行者一号就修正了轨道
借助引力弹弓效应奔着土星就去了先驱者 10 号和 11 号不太凑巧当时这个土星和木星之间的距离非常远几乎是从太阳系这头跳到那头所以跳一回有好几年但是旅行者号这一次呢木星和土星距离不算太远尽管如此这个旅行者号还是需要飞个一年半载的才能到
就在旅行者一号飞向土星的过程之中这旅行者二号到了他到了木星了旅行者二号呢有机会拍摄了大红斑的特写发现呢这个大红斑原来是木星上的一个超大规模的反气旋这个气旋的规模大到了令人难以想象这里边足可以放下三个地球
既然这个东西是一个巨大的风暴就像地球上的台风一样那么这个东西就是一直在动态变化的现在呢大家都认为第一个发现大红斑的人是英国的科学家胡克时间呢大概是在 1664 年吧后来很多科学家都看到过这个大红斑尽管那个时候的望远镜啊水水平不太好啊细节看不清楚但是那有个红嘎的他还能辨别出来既然这个东西是个风暴系统
看起来这场风已经足足刮了 300 年了它中间一直就没有停过因为一直就有人观测到这个大红斑的存在看来啊这个木星上的大气环流远比地球上要猛烈的多了咱们这个地球啊它毕竟是有个固体表面的啊那固体表面啊它有大陆嘛它有高山有峡谷啊对气流的阻碍也是相当大的
但是木星人家完全没有任何固体表面它完全就是个流体组成的球大气层转动起来的阻碍更少大红斑存在这么久也就好理解了但是这个大红斑它也不是一成不变它大小也会变化大红斑内部结构也特别复杂经常有小的漩涡合并进来边缘上也会有小的漩涡脱离
将来某一天要说这大红斑消失了那也不是什么不可思议的事儿
木星上的气旋反气旋它也不止大红斑一个只是大红斑是最大的那个而已同样旅行者二号也对木星的卫星进行了考察发现木卫一上有九个火山正在喷发你这几个月时间呢就比上次旅行者一号还多看见一个由此可见这个木卫一上火山喷发之频繁
木星上的几个大卫星其实都已经进入了轨道共振状态了这木卫一就像月亮一样它也被木星朝西锁定它也只有一个面朝向木星但是吧这个木卫二和木卫三它也不是省油的灯而且这俩卫星一个比一个大
这个木卫一绕着木星公转两周这木卫二刚好公转一周他们的公转周期呈现出了整数比一比二同样木卫二每转两圈这木卫三就刚好转一圈啊他也是整数比所以这种现象叫做拉普拉斯轨道公真所以呢
木位二和木位三就会导致木位一发生晃动而且伴随着扭曲这个扭曲的变形幅度达到了 300 米其实呢地球和月亮之间呢都有引力它也会互相扭曲咱们看到那个朝起朝落的这种朝西现象这本身就是流体在变形嘛咱们的地球虽然也是一个固体但它也是会变形的但是它的起降幅度啊大概只有一米左右几乎是忽略不计
但是吧这个木卫一就不对了它本来长的就没多大它变形幅度达到 300 米这已经很严重了一个天体就被周围其他天体的引力如此捏来捏去揉来揉去它内部是会产生热量的比如说你拿一根铁丝你来回掰你等到这个铁丝块有掰断的时候你就会发现这个掰弯的地方它特别烫
就是发生塑性变形它一定会产生热量这道理都是一样的你内部越热当然就越容易出现火山喷发了所以一个小小的木卫衣上才会有那么多火山喷发
当然了这种揉搓变形啊它不是单方面的它都是相互的啊这个你们俩合伙去揉搓木卫一那木卫一也可以和其他天体合伙来揉搓这两个木卫二上啊到处都是冰整个表面到处都是各种条纹这种地形地貌就跟地球上那个山脉峡谷相差很远地球上那个山脉峡谷不长这模样
它那个模样就像被随意乱划划出来的一大堆划痕而且呢它有的地方长得还有点像裂纹可能就是木星的其他卫星对它造成的潮汐力导致表面的冰层大量的破裂
木卫三是木星最大的一颗卫星旅行者号也拍到了不少木卫三的照片有些地方撞击坑特别多表面黑乎乎的有些地方表面就比较明亮撞击坑也少不少撞击坑周围都是白色的似乎就是冰层道理很简单木卫三表面也有大量的冰那些撞击坑撞也是撞在冰上了下边都是很深很深的海洋
通过这颗天体的整体密度来判断这个家伙应该是一半岩石一半水水呢它肯定是在外边因为水比石头要轻嘛岩石肯定是在里边的那既然外边是水啊它又那么冷它水的上面肯定结了一层厚厚的冰起码这个表面的冰是非常多的
这个木卫四距离前三颗卫星的距离就比较远了它也就不存在什么轨道共振现象了而且呢它呢也被木星强大的引力潮汐给锁定了它也是一个面对着木星所以呢这个天体啊就比较稳定它表面陨石坑非常多它表面也有大量的冰它的冰层下面也可能存在着很深的液态海洋
但是吧这颗天体呢它没什么生气它长得比较枯燥长得比较无聊它就是一堆麻子坑在那木星最主要的大卫星就这四颗也被称为伽利略卫星在地面上用小型望远镜呢就能看到这四个卫星前提是你眼睛够好
旅行者二号也探测到了木星周围强大的磁场也探测到了木星周围充满了各种各样高能带电粒子它是一个辐射带这些带电粒子在运动的时候它也会产生磁场的木星周围的磁场和电场就变得非常非常复杂
这些东西就构成了木星的磁圈这个磁圈不仅超级大而且长得还不对称这个磁圈呢也会随着木星的自转而转动每一次这个木卫一在穿过这个磁圈的时候它都会给你玩那个切割磁力线它就会发电而且呢还会被这个磁圈拨走一吨的物质就过一次扒一层皮
这些物质最后都会掉进木星大气层甚至可能形成极光这个旅行者二号也围着木星拍了很多照片然后借助引力弹弓一拐弯奔着土星去了当然了它比这个旅行者一号还是慢了很多旅行者一号是 1980 年 11 月份就到了土星附近了旅行者二号是 1981 年 8 月份才抵达土星附近的这两个速度不太一样
旅行者一号发现了五颗新卫星确认了土星环、G 环的存在这个旅行者一号发现这土星的成分里边有 7%是氦其他都是氢相比之下这个木星大气的氦含量就稍微高一点达到 11%我们知道整个宇宙里边
氢的含量大概占了 71%的比例氦大概占了 27%其他的元素加在一块只占一个零头不管是像太阳也好还是说像木星土星这样的巨型气态行星也罢它们的主要原材料就是氢和氦按理说它们的氢氦占比应该和宇宙的平均水平是差不多的
可是木星和土星的大气层之中氦是如此之少这到底说明什么问题呢这就说明啊氦是会下沉的因为它们比氢元素要更重它们会沉积到星球的内部
这个氦元素沉积到星球内部的过程本质上就是一个气体被引力压缩的过程这个过程是会产生热量的所以不管是木星也好土星也罢它们距离太阳太遥远了它们从太阳那儿得到的那一点点热量还不如自己通过收缩产生的热量更多
所以它有内部热量土星上的风速还是蛮快的赤道附近的风速达到了 500 米每秒旅行者一号也在土星的高纬度地区看到了极光这是不奇怪的但是在中纬度地区也探测到了类似于极光的氢紫外线辐射
这一下就把科学家们就搞糊涂了这个土星它也是有磁场的而且这磁场还非常强来自太阳的高能带电粒子钻进土星磁场呢它就会拐弯这一拐弯就开始大螺旋就奔着两极就拐着弯去了所以在两极地区高能带电粒子撞击稀波大气层会产生灰光也就是极光这不新鲜但是在中纬度区它是如何产生极光的呢
这个高能带电粒子它到底是怎么钻进去的还有没有什么别的来源呢所以就是当时的科学家想来想去就想不通了但是吧旅行者一号还有更重要的任务要去执行他一拐弯奔着土星最大的卫星土卫六泰坦就去了
这个土威六拥有非常浓密的大气层你想直接拍摄到这个天体的表面是很难的但是旅行者号可以通过阳光穿过大气层边缘来判断大气层的成分同时这个旅行者号一直在和地球保持无线电通信那么就可以借助探测器
转到这个土维 6 后边的机会让地球测空站和探测器之间的这个无线电波恰好穿过土维 6 大气层然后利用无线电信号的变化来测量大气的成分这种测量方式叫做无线电衍星测量
通过这些方法大家大致知道了泰坦的大气层里面主要是甲烷现在呢这个大气层的密度大概也能知道了然后再根据泰坦上的重力加速度大致就可以判断出泰坦的表面应该是有液态的碳氢化合物的
说白了就是很可能有甲烷形成的湖泊旅行者一号在拜访了泰坦之后呢因为轨道的关系未来的飞行轨迹必然是要离开黄道面了那么借此机会这个旅行者一号就从土星的南极上空掠过拍了不少照片接下来呢这个旅行者一号就会去探索这个茫茫无际的星际空间了他探索不了行星了
那既然旅行者一号对土维六的探测是成功的那么旅行者二号就不需要变轨了旅行者二号呢就将会拜访土星啦天王星啦海王星啦这就一勺会了那么有关这几个家伙的那档子事呢咱们就下回再说科学声音