圖解深空探測史

文/ 葉楠

遠離太陽的天體探測

1609年，伽利略第一次將望遠鏡指向天空，他看到了木星的4顆衛(wèi)星以及土星的光環(huán)。1781年3月13日，威廉·赫歇爾利用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星。1846年9月23日，伽勒根據(jù)勒維耶通過數(shù)學計算預測出的位置發(fā)現(xiàn)了海王星。1930年2月18日，湯博利用照相術發(fā)現(xiàn)了冥王星。1992年8月30日，除冥王星及其衛(wèi)星外的第一顆海王星外天體被發(fā)現(xiàn)……之后更多柯伊伯帶天體陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。這些天體由于距離地球過于遙遠，對它們的探測動輒需要耗費數(shù)十年以上的時間，這對探測器提出了更高的要求。

從土星到天王星

“旅行者2號”是美國宇航局于1977年8月20日發(fā)射的探測器，雖然它比“旅行者1號”抵達木星和土星晚一些，但這樣的速度能讓它的軌道保持在黃道面上，而且，借由176年才一遇的行星間幾何排列，“旅行者2號”還可以借助木星和土星的引力加速，去探訪天王星和海王星。1981年8月25日，“旅行者2號”通過飛掠土星的借力，進入天王星交會軌道。1985年11月，“旅行者2號”進入距天王星1億公里的遠距離觀測階段。圖為“旅行者2號”通過長時間曝光拍攝的天王星圖像，可以看到天王星的ε環(huán)。

飛掠天王星

1985年6月，“旅行者2號”拍攝了第一張作為導航用的天王星的照片，此后半年多的時間里，在“旅行者2號”的相機里只有天王星及其衛(wèi)星。通過照片，更多天王星的衛(wèi)星相繼被發(fā)現(xiàn)。1985年12月，首先發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)十五。1986年1月的上半個月又發(fā)現(xiàn)了6顆衛(wèi)星。1月20日，在ε環(huán)兩側發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)六和天衛(wèi)七（左圖內側是天衛(wèi)六，外側是天衛(wèi)七）。1月24日，“旅行者2號”在距離天王星中心107000公里處飛掠。之后它又拍到了天衛(wèi)四表面的山峰、天衛(wèi)三（右圖）上巨大的撞擊坑及斷層、布滿撞擊坑的天衛(wèi)二以及表面最年輕的天衛(wèi)一。

奇特的天衛(wèi)五

在所有天王星的衛(wèi)星中，天衛(wèi)五（左圖）最令人矚目，是目前為止太陽系中觀測到的最為奇特的衛(wèi)星之一。它的表面有類似火星上的山谷、類似木衛(wèi)三上的溝壑、類似水星上的擠壓斷層，還有3個直徑200～300公里的橢圓形區(qū)域，其中最具特色的是一系列溝槽和陡坡組成的V字形地貌。在右圖中晨昏線處的懸崖高度超過20公里，在這樣一個弱引力天體上，從崖頂扔下一個物體需要10分鐘時間才會落地。關于天衛(wèi)五的形成過程可能要等到下次探測才能夠得到解答。

飛掠海王星

飛掠前13小時，在距離35倍海王星半徑處，“旅行者2號”遭遇了一次非常清晰的弓形激波，發(fā)現(xiàn)粒子通量隨磁場增大而減少，由于海王星的磁極和自轉軸之間有約47度的夾角，后來確認這次“旅行者2號”幾乎是在磁極上方且與磁力線平行的方向進入了海王星磁層。飛掠前63分鐘，“旅行者2號”在距離海王星中心85500公里處由南向北穿越了環(huán)平面。隨后，世界時1989年8月25日3時56分，“旅行者2號”在距離29240公里處成功飛掠海王星。下圖是在飛掠最近點時“旅行者2號”拍攝的海王星高空云投射到主云層下方的陰影。

向海王星進發(fā)

借助天王星引力的助推，“旅行者2號”繼續(xù)飛向海王星。為了能更精確地接近目標，1986年2月14日，“旅行者2號”進行了一次長達2.5小時的軌道機動，消耗了12千克的肼燃料。海王星到地球的距離大約是天王星的1.5倍，為了接收到更加微弱的信號，包括“甚大陣”在內的全球共計38臺射電望遠鏡都參與了觀測，“旅行者2號”不再只是一個國家的任務，更是整個人類對宇宙探索的一個期望。1987年3月13日，“旅行者2號”再次實施軌道機動，在新的軌道上它將剛好穿越海王星光環(huán)，之后轉向飛掠海衛(wèi)一。

1988年5月，“旅行者2號”拍攝到第一張海王星照片，此時它距離海王星仍有6億公里遠。1988年底，隨著距離的接近，照片也逐漸清晰起來，海王星就像是一個藍色的小圓盤，海衛(wèi)一是一個粉紅色的小點（左圖）。在海王星中心附近存在著類似木星大紅斑似的黑色斑點。通過1989年4月的照片（右圖）測出黑斑大小為東西13000公里、南北6500公里，隨后被命名為“大黑斑”。歷史上關于海王星大黑斑的記載可以追溯至1899年。但是1994年哈勃空間望遠鏡拍攝的海王星高分辨率圖像中并不存在這些黑斑。后續(xù)研究表明這可能是海王星云層上的空洞。

探訪海衛(wèi)一

“旅行者2號”在飛掠海王星后將注意力投向了海衛(wèi)一，它有5個小時的時間對海衛(wèi)一進行勘測。此時海衛(wèi)一的北半球處于黑暗中，直到2040年；南半球的春天始于1960年，將持續(xù)到2000年以后。海衛(wèi)一的南極冰蓋將本就不多的陽光幾乎全部反射出去，這使它成為了當時已知太陽系內最冷的地方，溫度只有-235℃。在南極地區(qū)發(fā)現(xiàn)了間歇性的噴流活動，這是繼木衛(wèi)一的火山后，人類發(fā)現(xiàn)的第二個正在進行中的地質活動。赤道附近的地形復雜多樣，最引人注意的是稀疏的多坑平原，與哈密瓜皮很相似，之后也被稱為哈密瓜皮地形。上圖是“旅行者2號”拍攝的魯阿卡平原的高分辨率圖像。通過測定“旅行者2號”軌道偏離得出海衛(wèi)一的密度為每立方厘米2克，令人驚奇的是這個數(shù)值與冥王星相同，之后關于海衛(wèi)一各種俘獲假說便大量涌現(xiàn)。

太陽系合影

1989年8月31日，“旅行者2號”在遠離海王星的過程中拍攝了一組海衛(wèi)一凌海王星的照片。從1962年的“水手2號”飛掠金星開始，經(jīng)過27年的時間，人類對除地球外的全部7顆大行星都完成了探測。13年間，“旅行者2號”傳回了67萬張照片，下圖是它拍攝的最后一組照片，照片展示的是整個太陽系天體的合影。但是“旅行者2號”仍然未到退役的時候，2018年12月，美國宇航局確認“旅行者2號”飛出日球層頂（太陽風影響區(qū)域），成為第二顆進入恒星際空間（銀河系射線影響區(qū)域）的探測器。同時，美國宇航局也認定奧爾特云外緣是太陽系的邊界，“旅行者2號”大約要航行3萬年才能飛出太陽系。

“新視野號”造訪冥王星

“新視野號”（左圖）是美國宇航局于2006年1月19日發(fā)射的以冥王星為首要目標的探測器，彼時冥王星仍隸屬太陽系九大行星之列，但是隨著更多的柯伊伯帶天體被發(fā)現(xiàn)，同年8月24日國際天文聯(lián)合會決議將冥王星認定為矮行星。發(fā)射之初，火箭發(fā)動機關閉時相對地球速度為每秒16.26公里，是有史以來發(fā)射速度最快的探測器。經(jīng)歷了9年6個月的長途跋涉后，2015年7月14日，“新視野號”在距離12472公里處飛掠冥王星，傳回了大量冥王星照片，右圖是其中廣為流傳的一張，拍攝于飛掠前一天。另外值得一提的是冥王星的發(fā)現(xiàn)者克萊德·湯博的部分骨灰也隨“新視野號”一起造訪了冥王星。

飛向“天涯海角”

“新視野號”在完成冥王星探測之后的第二個月，科學家們?yōu)樗x定了下一個飛掠探測目標——486958號小行星。這是一顆位于柯伊伯帶內的小行星，英文名為Ultima Thule，中文譯名為“天涯海角”。通過這個有深意的名字也可以看出它是現(xiàn)代空間探測史上最遙遠的天體。2019年1月1日，“新視野號”在約3500公里處飛掠“天涯海角”，并拍攝了這顆奇特小行星的照片（如圖）。如果一切順利，后續(xù)“新視野號”還將再飛掠1到2個柯伊伯帶天體。

更遙遠的地方

截至2019年底，共有5個人造探測器向著太陽系以外更遙遠的地方飛行著，它們分別是：“先驅者10號”“先驅者11號”“旅行者2號”“旅行者1號”和“新視野號”。其中距離我們最遠的是“旅行者1號”，約221.4億公里，我們現(xiàn)在還可以收到來自它的信號，不過由于距離遙遠，即使是光速也會有20.5個小時的延遲。5個探測器中先驅者10號和11號已經(jīng)沒有了聯(lián)系，預計到2025年前后也會失去旅行者1號和2號的消息，“新視野號”如果順利，未來20年內還可以和我們繼續(xù)聯(lián)系。

雖然目前我們不會知道遙遠未來的更多信息，但幾個探測器攜帶著有關于地球及人類的信息，數(shù)十萬年后它們或許被送到另外一顆恒星。雖然這是一段極其漫長而又孤獨的旅途，但這又關乎人類文明的未來，這將是我們開啟太空文明的第一步。（全文完）