舊飛船從222.34億千米外傳回64KB資料,發現系外太空充斥有害粒子

薛定諤的貓 2021/08/22 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

1965年,一位名叫蓋瑞.弗蘭多的加州理工大學研究生,在無意中發現了一條 通向外太陽系的飛船航道,由此開闢出了人類歷史上最偉大的一次旅行,至今為止,從這條航道發射出去的兩個探測器,依舊在書寫自己的傳奇。

這就是目前距離地球最遙遠的探測器,旅行者1號和旅行者2號。為什麼說這次飛行堪稱偉大,我們還需要重新說回弗蘭多發現的航道。

在上個世紀七十年代,NASA最遠只探測過火星和水星兩個內太陽系行星,科學家還沒有考慮過對外太陽系進行考察。其實想要加速離開太陽系說起來挺簡單的,只要借助木星巨大的引力,探測器就有足夠的速度進行星際旅行。

經過研究,弗蘭多發現,在1980年左右,木星、土星、天王星和海王星、冥王星,剛好會運行到太陽系的同一側。也就是說, 只要計算出合適的軌道,用一個探測器就可以一次性訪問這些行星,而這樣的機會一旦錯過就要再等175年

在這樣的契機下,NASA開始著手準備外太陽系的探測計畫,並趕在1977年發射了旅行者1號和2號,這一走就是44年。如今,旅行者1號已經脫離了太陽輻射的范圍,在預計得很長一段時間裡,它都會是距離我們最遙遠的探測器。可惜的是, 旅行者1號和2號因為電力衰減的原因,現在已經關閉了大多數科學儀器,我們也只能從傳回的少數信號中,推測外太陽系的環境。

旅行者一號和旅行者二號雖然旅行者1號和2號已經飛行了43年,但它們距離太陽系的邊界還非常遙遠,根據學者的估計,旅行一號想要進入最外側的奧爾特星雲,大概還需要400多年,而離開奧爾特星雲,真正脫離太陽的引力,大概需要4萬年的時間。

不過,隨著電池電量的耗盡,這兩顆探測器最終會變成失聯的漂流者,永遠與我們失去聯繫。到現在,旅行者1號和2號的電力系統還能維持20W左右的功率運行,相當於一個手機快充的功率。

很難想象,在如此遙遠的距離下, 它居然還可以跟我們保持無線電通訊。NASA最近一次和旅行者一號通訊,是在2017年,工程師向它發出指令,用僅有的一點燃料進行了10毫秒的推進器點火。 在這之後,為了節省電力,旅行者1號就已經和地球處於半失聯狀態了

其實按照計畫,旅行者1號在2012年的時候應該向地球傳回一次大小為64KB的觀測資料,因為這時正好是學者預計它脫離太陽輻射的時候。但可惜的是,由於關鍵儀器損壞,觀測無法順利進行。

直到2018年, 後來居上的旅行者2號才從222.34億千米外發回信號,人們才敢確定它們真的離開了太陽輻射的范圍。

在2018年12月的國際地球物理聯合大會上,旅行者號團隊終於向外界公佈了這一喜訊。 通過旅行者2號攜帶的等離子體譜儀和宇宙射線探測系統等科學儀器,他們終於確認,旅行者2號在2018年11月5日穿過了太陽的邊界,也就是所謂的日球層頂。在這個邊界上,來自於太陽的輻射粒子陡然下降,而來自宇宙的輻射粒子相應增多。團隊通過發回的資訊得知, 無論是太陽系內還是太陽系外,都充滿了危險的高能輻射。

傳回這個信號有多不容易?

和探測完木星之後直接向外太陽系進發的旅行者1號不同, 旅行者2號是迄今為止唯一一個一次性飛過木星、土星、天王星和海王星的探測器。也因此在內太陽系逗留的時間較多,才被稍晚發射的旅行者一號超越。

而且旅行者1號借助的是木星的引力,所以速度比2號快出許多,到現在已經比2號多飛了25個天文單位,也就是25個地球到太陽之前的距離,在未來,這個差距會越拉越大。

由於時間緊迫,所以旅行者1號和2號的結構完全一致。可惜的是旅行者1號的等離子體譜儀早在1980年穿越木星的時候就壞掉了, 所以旅行者2號的高能粒子探測才成為了關注的焦點

截止到2019年2月28日,旅行者號已經距離太陽分別有145和121個天文單位了。在這個距離下,以光速傳播需要16.5個小時才能到達地球,而太陽的光傳到地球只需要8分鐘左右。而且受技術條件的限制,旅行者使用的還是類比信號編碼,每秒鐘只能傳遞幾個字元,這樣下來, 地球和它們之間想完成一次一來一回的交流,至少需要40個小時。

為了保證與地球之間的聯繫,旅行者號在設計之初,就選擇了口徑達3.7米的高增益天線,並且配備了精度極高的陀螺儀,可以用來修正天線的方向,讓它時刻對準地球。

不過即便如此,旅行者1號的發出的信號還是非常微弱,畢竟目前它的功率只有20瓦,並且信號會隨著距離的拉遠而越變越弱。為了接受到旅行者號的消息, NASA從上世紀60年代就開始建造用於星際通信的信號接收系統,名叫深空網路。

它是一個可以支援星際無線電通信和射電天文學觀測的全球性天線網路,由全球三個天文臺的一系列天線陣列組成。每個天線的直徑可以達到70米,可以把微弱的信號放大上億倍,是如今靈敏度最高的天線系統。 儘管如此,地球和旅行者號在通信時還是避免不了延遲緩慢的硬傷。

為了保證信號頻段不被干擾,旅行者1號採用了2.3GHz~8.4GHz的高頻信號與地面通訊,而深空網路則選擇2.1GHz信號。不過,使用類比信號通訊還是有一個麻煩,就是它難以保證信號的準確性,所以在傳遞信號的同時,還要發送改錯碼來校驗資訊。

為此,旅行者一號想要傳回一張大小1MB的照片,都需要花費將近半個月的時間。所以, 別看這次旅行者號只是發回了一個64kb大小的檔,背後付出的代價是我們常人難以想象的。

而旅行者2號的條件更加艱苦,在1989年飛過海王星的衛星之後,旅行者2號就已經完成了自己的使命。為了獲取更加精確的資訊,團隊讓旅行者2號近距離飛躍海衛一的北極,使它的軌道相對于行星盤向南偏轉。

這讓地球上兩個北半球的深空站已經無法捕獲它的信號,只有南半球澳大利亞的70米口徑天線DSS43,依舊有足夠的功率和它保持聯繫,所以地面再也無法24小時向旅行者2號發送指令。而更糟糕的是, 深空網路已經修建了50年,各種器材老化,NASA不得不在2020年3月停機維護

在這段時間裡,旅行者2號完全處於失控狀態。直到10月30日,天線發射機才完成更換,NASA才又一次和旅行者2號取得聯繫。不過,這樣的日子,可能也堅持不了多久了, 因為旅行者號的電力供應已經維持不了多長時間了。

旅行者號還能堅持多久?

旅行者1號和2號都攜帶了十種科學探測儀器,在內太陽系,它們還可以使用太陽能電池板供電,但越過了柯伊伯帶之後,太陽光已經變得非常微弱,無法提供電力,兩個探測器都只能靠自帶的放射性熱核電池來供電。

這種熱核電池是現在地外探測器的標配之一。它的發電原因也非常簡單,首先,熱核電池中的放射性物質會不斷衰減,釋放出熱量,而外太空環境下是近似絕對零度的超低溫,因此就可以用 溫差發電機來發電。不過隨著熱核電池放射性的衰減,它釋放的能量就越來越少,大概以每年4瓦的速度遞減。為了延長工作時間, 旅行者號不得不關閉了大部分科學儀器

比如說在2007年,旅行者號關閉了等離子體波探測系統, 它本來是探測行星等離子流情況的儀器。在2008年又關閉了行星射電天文探測儀,它原本是用來研究木星和土星發出的電磁波信號的。2010年又關閉了紫外光譜儀,原本是用來測量行星大氣性質和輻射的儀器。到了2015年又關閉了資料磁帶機,它原本相當於旅行者號的緩存,關閉了它之後,旅行者號再也無法向地球發送大小超過64kb的大型檔。

而到了2020年,旅行者號已經關閉了大多數科學儀器,學者預計,到了2025年,旅行者探測器將關閉所有科學儀器,只保留無線電通訊能力,屆時它就已經失去實用價值。 而到了2036年,核電池就會衰減到無法支援任何設備使用的狀態,我們將永遠和它們失去聯繫。

 

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