39年前冲出太阳系的的探测器仍在运作

hgy2016 2016-08-03

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旅行者1号（Voyager 1）自1977年9月5日发射，至今仍在运作。在离开地球的39年中，它曾到访过木星及土星，是第一个提供了木星、土星以及其卫星详细照片的探测器。现在，它已经离开了太阳系，继续向银河系中心前进，再也回不来了。“旅行者一号”同时也是首个冲出太阳系的人类制造的飞行器，在人类的航空航天史上成为一座极具纪念意义的里程碑，是距今离地球最远的人造卫星。

图为旅行者携带的黄金圆盘，释义文末揭晓

那么“旅行者”是如何飞出太阳系，在这39年中又经历了怎样的奇幻旅程呢？NASA现役工程师

Robert Frost

，在Quora上进行了一番非常精彩的叙述。（原文地址：

如何向一个只懂基础物理的学生解释“旅行者1号”到底是个啥？

，网易号“浪摧小宇宙”编译，略有改动，转载请注明来源）

首先，我们应该了解一下将要去“飞出”的那个地方:太阳系

在太阳系中的行星们日夜不停的保持着“转”这个姿势，它们都以不同的速度，周期和轨道围绕着太阳公转，每一颗行星的状态都是独一无二的，就像下面这张图展示的一样：

行星们杂乱无章的运行就像丛林中的陷阱，由于万有引力的存在，任何飞行器都很难冲出这样重重的障碍，但在上个世纪70年代中期，出现了一次非常难得的机会，行星们恰好运行到了一个非常绝妙的相对位置，为飞行器的航行提供了一条“星光大道”，就是下图中的这条黄线：

这时，之前说好的基础物理学水平告诉我们，两点之间线段最短啊！这条路线显然不效率，但稍微高端一点的物理学又告诉我们，由于地球围绕着太阳公转，那么如果我们想将物体发射到太空中，这个物理就必须拥有与地球公转同样的轨迹，这就好像我们坐在高铁列车上，如果车身可以做成透明的，那么在外面的人看到的就是一群人以坐姿呼啸而过，并且发型不乱……

如果你还无法理解，那么可能是空间尺度过大的原因（当然不能排除天然呆），咱们将空间尺度缩小到一个盘子上，同时需要一只蚂蚁作为临时工，让它从圆心爬向边缘，显然路线就是盘子的半径，一条线段；但当盘子开始旋转，虽然“临时工”所经过的路线依然是一条线段，但在我们看来，则是一条曲线。

理解了这个问题，我们就可以回到人类的世界，有能力制造并使用一架太空探测器，无疑是人类的伟大成就之一，同时我们又遇到了每隔179年才会出现一次的“星光大道”，无论如何我们都没有理由错过这次绝妙的机会。

于是，在70年代中叶，为了对得起这次绝佳的机会，我们制造了两架同样的探测器，旅行者1号和旅行者2号，即使其中一架出现了问题，还有第二架可以保证计划继续进行（请不要问为什么不制造100架，我们对自己还是有信心的），下图就是它们的外形：

俗话说饱带干粮晴带伞，准备齐全总是没错的，何况又是如此难得的良机，于是两架探测器中被装备了大量的科学仪器，其中包括一台高清行星照相机和用以探测磁场强度和方向以及宇宙射线的测力计。

那么，问题来了：

1.这两架探测器的动力是什么？他们会在宇宙中旅行多久？

说到这里，请看下图：

我保证这是文中出现的唯一一个公式，你基本可以无视它，只听故事就好：想象一下自己驰骋在篮球场上，场边美女如云，眼神热辣，你本想把球传给一位离你很近的队友，但此时机智的你发现了更好的得分机会，于是你用了更大的力气将球传给了稍远一些的队友，因为你知道如果用的力气小了，球可能无法飞到队友那里。

这就是牛顿第一运动定律：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。在刚才意淫中，因为重力和空气阻力的存在，球能够顺利到达队友手中，是因为你用了更大的力来保持球的受力平衡。

对于一艘宇宙飞船来说，这个概念至关重要，不要被科幻片中的情节所迷惑，宇宙飞船都是拖着长长尾焰才能前进，事实上，根本不需要这样。

在旅行者飞船被发射的初期，它们仍然是围绕着地球轨道运行，在准备妥当后，飞船会进行点火加力，改变目前的受力平衡状态，从而离开地球，向太空飞去，在这之后，飞船便不再需要任何动力就可以飞行下去。因为太空中并没有空气阻力和重力的影响，但这时仍然会有一个外力会让飞船失去平衡状态：万有引力。

太阳的质量大到我们无法想象，因此太阳也有着巨大的引力，这就好像你在一张床垫上放了一个铁球，床垫自然会产生一个凹陷，这样一来，铁球旁边的物理也会随之落入这个凹陷。

离铁球越近，凹陷所产生的曲面就会越陡，就越难脱离这个凹陷，而相对远离凹陷的地方，则会平缓一些。对于宇宙飞船而言，太阳就是这个铁球，所以我们想到了一个办法，给予宇宙飞船更大初始速度，即使在太阳强大的引力作用下，飞船的速度也不会降到零，这样，随着飞船离太阳越来越远，就可以成功逃离太阳的引力作用。这就是我们常说的“逃逸速度”。

任何一艘飞船，只要达到了其相应的逃逸速度，都以在不借助引擎持续推进的情况下离开太阳系。

在刚刚离开地球时，在前文我们已经达成共识，旅行者探测器会拥有与地球公转相同的速度，大约为36千米/秒，此时我们进行一次点火推进，大约需要42千米/秒的速度才能离开地球。

由于地球所在的位置距太阳较近，太阳的引力作用非常强烈，所以当旅行者探测器行至木星附近时，其速度仅剩大约9千米/秒，这远远达不到此处的逃逸速度，但是不要忘了，此时可是179年一遇的绝佳时机，旅行者探测器借助木星的引力，将其速度又提升到了大约25千米/秒，这样的过程在后面的行星中重复进行，最终，旅行者探测器成功的离开了太阳系。

至此，旅行者探测器永远的离开了太阳系，再也回不来了。

2.NASA如何接收旅行者探测器传回的信息，这些信息传回地球需要多长时间？

实际上，NASA拥有一套完整的“深空网络”（DSN，Deep Space Network），在加州、西班牙和澳大利亚，NASA建造了三处巨大的深空通信设施，这三处设施分别相距120度，刚好可以覆盖全球。这样，无论是从何处发来的信息，都可以被接收到。

在设施的设计方面，也有着超前的规划，理论上说，这些设施可以接收到旅行者探测器飞行一个世纪后传回的信息，但事实上，旅行者探测器预计在2025年就会全面停止工作，无法再传回任何信息，虽然旅行者探测器上的设备都采用了核动力功能，但仍然会有能源枯竭的一天。

在前面的旅行者探测器肖像中我们看到一个白色碗状的天线，信号从旅行者探测器发出时，信号功率约有19瓦，但会在传输的过程中逐渐衰减，最终地球接收到的信号强度仅剩10的-16次方瓦，而这个传输的过程，大约需要16个小时。

好在旅行者探测器发送的信号为8.4GHz的高频信号，这是一个在地球上基本不会用的频率，所以我们很容易发现和接收旅行者探测器发回的信息。

旅行者探测器可能会在太空中漂流数十亿年，而在那时，太阳系早已不复存在，但旅行者探测器上清晰的记载着人类曾经存在过的证据。

旅行者探测器携带了一张铜质磁盘唱片，外径为12英寸，镀金表面，内藏金刚石留声机针。这意味着即使是数十亿年之后，这张唱片的音质依然和新的一样。唱片就像一个时间胶囊，浓缩了人类文明的精华，其中记录了用55种人类语言录制的问候语和各类音乐，115幅影像，包括太阳系各行星的图片、人类的性器官图像及说明等，唱片内还包括一个90分钟的声乐集锦，主要包括地球自然界的各种声音以及27首世界名曲，其中有中国古曲《流水》、莫扎特的《魔笛》和日本的尺八曲等。另外，唱片封套上也包括了一块高纯度的铀238。由于已知其衰变为钚239的半衰期约为41.7亿年，这样捕获此唱片的外星生命即可据此推算出探测器的发射日期。

值得一提的是，在这张磁盘上，还记录着一段来自美国总统吉米-卡特的留言：

这艘“旅行者”号宇宙飞船是美利坚合众国建造的。我们是一个具有2.4亿人类生命的集体，我们与居住在地球上的40亿人类共同生存着。我们人类现在仍以国家划分，但是这些国家正在迅速地成为一个单一而又综合的文明世界。我们向外星致文。此文可能在未来的10亿年中长存，届时我们的文明世界将会发生深刻的变化。当地球面貌也大为改观时，这一信息可能依然存在。在银河系2000亿颗恒星中，一些（也许更多）恒星的行星上有生命居住，并存在着遥远的宇宙文明。如果一个文明世界截获了“旅行者”号，并能理解它所携带的录制内容，就请接受我们如下的致文：这是来自一个遥远的小型世界的礼物。它是我们的声音、我们的科学、我们的意志、我们的音乐、我们的思考和我们情感的象征。我们正努力延续时光，以期能与你们的时光共融。我们希望有朝一日解决了所面临的困难之后，能置身于银河文明世界的共同体中。这份信息将把我们的希望、我们的决心、我们的亲善传遍广袤而又令人敬畏的宇宙。——1977年6月16日于白宫

最后，我们来看看旅行者探测器都发现了什么？