在距离地球大约亿公里的星际空间里,美国太空总署(NASA)的“旅行者2号(Voyager2)”探测器已工作了43年,也是第二个离开太阳圈(heliosphere)的人造物体(第一个是‘旅行者1号’)。而在这几十年里,旅行者2号只有在去年1月出现故障和地面唯一收发信号站需升级天线断联8个月外,都一直保存着联系。
相信很多人看到此都会对“旅行者2号”心生赞叹,但或许有些人的脑海里闪过这样的问题:旅行者2号距离地球约亿公里远,那里又没有网络,它是如何与地球联系的呢?飞了几十年,什么动力能坚持这么长时间?
43年从未断信的“旅行者2号”!
我们不妨设想一下,自己用过寿命最长的电子产品是什么?可能有人会想到自己曾5年用一个手机,家里的电视机放了10年,又或者家里的冰箱有20年了。但很少人家里的电器能一直使用超过40年而完全没有维修过的吧?然而,旅行者2号从年发射至今已独自在辽阔的太空运行了超过43年了,相信在它离开地球时,很多同学应该还没出生。对比近几年发射的探测器,旅行者2号可以说是“老古董”了。
根据NASA资料显示,旅行者2号最初的设计寿命预期为12年,但为何40多年过去,它还在运行?是被外星人劫持了吗?其实答案很简单,美国的航天科技实力确实牛掰。
首先是核动力。旅行者1、2号探测器,都是以3块放射性同位素(钚)热电机作为动力来源,简单来说就是核电池,基本上能用好几十年。实际上,探测器上的热电机已大大超出了最初的设计寿命。乐观估计,旅行者2号能坚持到年。即使年之后不太可能收集科学数据,已有数据传回地球也要数年。
其次是旅行者2号的发射赶上了机遇。在年代,NASA先后发射了一些探测器,都是以一颗特定星球作为目标。但旅行者2号不一样,它的目标是造访外太阳系的气体行星——木星、土星、天王星和海王星。
要想顺利完成“四星任务”,必须要仰仗这四颗行星特殊的排列位置,让旅行者2号在每在造访一颗行星的同时,每次都能利用该行星的重力实现“引力弹弓效应”拉一把(即重力助推),以帮助探测器可用最节省燃料的方式飞向下一颗行星。而如此特殊的四星排列机会,要每隔年才会出现。
最后就是一系列的省电操作。探测器上的核电池每年减少4瓦,由于电力的不断减少,地面指挥中心的工程师也在逐年停止了探测器上的一些功能,比如停止回转仪运作,关闭科学仪器等等。旅行者2号曾在年1月25日无法将自己校正回在轴心上旋转后,引发“故障保护软体程序”而造成了故障。结果使两个系统在相对高的功率下运转,过度耗费了其可使用的能量供应。
旅行者2号是如何给地球发信息的呢?
NASA在设计旅行者兄弟时,为了保持和地球联系,旅行者号探测器都拥有一个口径3.7米、类似大锅的接收器,名称叫做高增益天线。好比我们的“中国天眼”,都是一口大锅的形状,如此设计都是为了把信号集中于一点,便于接收。同时探测器上还携带了精密的陀螺仪,助其天线始终对准地球。
话说回来,在地球要想接受百亿公里探测器传回的数据,不得不提NASA的深空网络(DSN)。
NASA的深空网的前身成立于年1月,由美陆*负责的喷气推进实验室(简称JPL)在尼日利亚,新加坡和加利福尼亚部署了便携式无线电跟踪站。后在NASA成立后,移交给NASA管理,并在年代发展成深空网。
目前,深空网络由3个天线站组成,分别位于美国本土的金石(Goldstone)、澳大利亚的堪培拉(Canberra)和西班牙的马德里(Madrid)。每个天线站由一系列天线阵列组成,单个天线的直径可达70米。简单来说,就是太阳系的“WiFi”。
之所以要在全球布置3个天线站,聪明如你肯定能想到地球会自转。而这3座天线站的经度间距大约是度,如此一来,地球怎么转都会让探测器至少处于3个天线站的视野之内。据说日本隼鸟二号探测器之所以能成功从“龙宫”小行星采样回来,深空网起到了很大的作用。
但信号在传输过程中会随着距离不断增加而衰减。比如旅行者2号正通过距离地球约亿公里的星际空间,这表示地球上任何的通讯都要花17个小时才能抵达旅行者2号,并再花17个小时传回地球。因此旅行者2号采用了极慢的通信速率,一个字节一个字节发送,所以1MB的照片传输回来就需要近半个月时间。再者,探测器上的发射机和数字调制系统都是老古董,想快都快不了,慢一些好过一堆乱码。
它们将何去何从?
实际上,当深空探测器能量耗尽与地球失去联系后,并不意味着它们的旅途就此终结。在惯性的作用下,它们会沿着最后的轨道方向继续飞行。在上世纪70年代,美国除了发射旅行者探测器外,还发射了先驱者10号、11号,也早已失联多年,但有科学家猜测它们应该离开了太阳系。
为了估算探测器下一个目的地是哪里,要花多久时间才能抵达另一个星系?NASA的天文学家通过ESA盖亚卫星(Gaia)结合探测器最后轨道,先驱者10号会先一步掠过其他恒星系统,并在9万年内通过位于仙后座星座中的HIP系统;而旅行者1号正朝着太阳系周围的奥尔特云(OortCloud)前进,预计冲出奥尔特云需1.77万年。
那它们会不会被某个恒星的重力拉过去,或者遭其他天体碰撞,几率很低。反正没有意外的话,它们就是没有目的地的,一直往星空深处飞行。
最后想说的是,不止阿雷西博曾向宇宙发出了人类信息,旅行者2号也带了一张全球语言‘问好’的录音、几张唱片和唱片播放器。虽说要在茫茫的宇宙中不小心被“人”捡到的几率很低,但某种程度上,这也象征着人类在向宇宙“呐喊”。至于宇宙是不是一片“黑暗森林”,谁知道呢?