在距離地球大約200億公里的星際空間裡,美國太空總署(NASA)的“旅行者2號(Voyager 2)”探測器已工作了43年,也是第二個離開太陽圈(heliosphere)的人造物體(第一個是‘旅行者1號’)。而在這幾十年裡,旅行者2號只有在去年1月出現故障和地面唯一收發訊號站需升級天線斷聯8個月外,都一直儲存著聯絡。
相信很多人看到此都會對“旅行者2號”心生讚歎,但或許有些人的腦海裡閃過這樣的問題:旅行者2號距離地球約200億公里遠,那裡又沒有網路,它是如何與地球聯絡的呢?飛了幾十年,什麼動力能堅持這麼長時間?
43年從未斷信的“旅行者2號”!我們不妨設想一下,自己用過壽命最長的電子產品是什麼?可能有人會想到自己曾5年用一個手機,家裡的電視機放了10年,又或者家裡的冰箱有20年了。但很少人家裡的電器能一直使用超過40年而完全沒有維修過的吧?然而,旅行者2號從1977年發射至今已獨自在遼闊的太空運行了超過43年了,相信在它離開地球時,很多同學應該還沒出生。對比近幾年發射的探測器,旅行者2號可以說是“老古董”了。
根據NASA資料顯示,旅行者2號最初的設計壽命預期為12年,但為何40多年過去,它還在執行?是被外星人劫持了嗎?其實答案很簡單,美國的航天科技實力確實牛掰。
其次是旅行者2號的發射趕上了機遇。在1970年代,NASA先後發射了一些探測器,都是以一顆特定星球作為目標。但旅行者2號不一樣,它的目標是造訪外太陽系的氣體行星——木星、土星、天王星和海王星。
要想順利完成“四星任務”,必須要仰仗這四顆行星特殊的排列位置,讓旅行者2號在每在造訪一顆行星的同時,每次都能利用該行星的重力實現“引力彈弓效應”拉一把(即重力助推),以幫助探測器可用最節省燃料的方式飛向下一顆行星。而如此特殊的四星排列機會,要每隔176年才會出現。
最後就是一系列的省電操作。探測器上的核電池每年減少4瓦,由於電力的不斷減少,地面指揮中心的工程師也在逐年停止了探測器上的一些功能,比如停止迴轉儀運作,關閉科學儀器等等。旅行者2號曾在2020年1月25日無法將自己校正回在軸心上旋轉後,引發“故障保護軟體程式”而造成了故障。結果使兩個系統在相對高的功率下運轉,過度耗費了其可使用的能量供應。
旅行者2號是如何給地球發信息的呢?NASA在設計旅行者兄弟時,為了保持和地球聯絡,旅行者號探測器都擁有一個口徑3.7米、類似大鍋的接收器,名稱叫做高增益天線。好比我們的“中國天眼”,都是一口大鍋的形狀,如此設計都是為了把訊號集中於一點,便於接收。同時探測器上還攜帶了精密的陀螺儀,助其天線始終對準地球。
話說回來,在地球要想接受百億公里探測器傳回的資料,不得不提NASA的深空網路(DSN)。
NASA的深空網的前身成立於1958年1月,由美陸軍負責的噴氣推進實驗室(簡稱JPL)在奈及利亞,新加坡和加利福尼亞部署了行動式無線電跟蹤站。後在NASA成立後,移交給NASA管理,並在1960年代發展成深空網。
目前,深空網路由3個天線站組成,分別位於美國本土的金石(Goldstone)、澳大利亞的堪培拉(Canberra)和西班牙的馬德里(Madrid)。每個天線站由一系列天線陣列組成,單個天線的直徑可達70米。簡單來說,就是太陽系的“WiFi”。
之所以要在全球佈置3個天線站,聰明如你肯定能想到地球會自轉。而這3座天線站的經度間距大約是120度,如此一來,地球怎麼轉都會讓探測器至少處於3個天線站的視野之內。據說日本隼鳥二號探測器之所以能成功從“龍宮”小行星取樣回來,深空網起到了很大的作用。
但訊號在傳輸過程中會隨著距離不斷增加而衰減。比如旅行者2號正透過距離地球約185億公里的星際空間,這表示地球上任何的通訊都要花17個小時才能抵達旅行者2號,並再花17個小時傳回地球。因此旅行者2號採用了極慢的通訊速率,一個位元組一個位元組傳送,所以1MB的照片傳輸回來就需要近半個月時間。再者,探測器上的發射機和數字調製系統都是老古董,想快都快不了,慢一些好過一堆亂碼。
它們將何去何從?實際上,當深空探測器能量耗盡與地球失去聯絡後,並不意味著它們的旅途就此終結。在慣性的作用下,它們會沿著最後的軌道方向繼續飛行。在上世紀70年代,美國除了發射旅行者探測器外,還發射了先驅者10號、11號,也早已失聯多年,但有科學家猜測它們應該離開了太陽系。
為了估算探測器下一個目的地是哪裡,要花多久時間才能抵達另一個星系?NASA的天文學家透過ESA蓋亞衛星(Gaia)結合探測器最後軌道, 先驅者10號會先一步掠過其他恆星系統,並在9萬年內透過位於仙后座星座中的 HIP 117795 系統;而旅行者1號正朝著太陽系周圍的奧爾特雲(Oort Cloud)前進,預計衝出奧爾特雲需1.77萬年。
那它們會不會被某個恆星的重力拉過去,或者遭其他天體碰撞,機率很低。反正沒有意外的話,它們就是沒有目的地的,一直往星空深處飛行。
最後想說的是,不止阿雷西博曾向宇宙發出了人類資訊,旅行者2號也帶了一張全球語言‘問好’的錄音、幾張唱片和唱片播放器。雖說要在茫茫的宇宙中不小心被“人”撿到的機率很低,但某種程度上,這也象徵著人類在向宇宙“吶喊”。至於宇宙是不是一片“黑暗森林”,誰知道呢?