仰望星空——“盛大的旅行”（上）

——《旅行者號的故事》

北京時間2018年12月11日零點，NASA在美國地球物理年會上宣佈，透過比較旅行者2號上搭載的不同儀器傳回的資料，旅行者2號於11月5日通過了日球層的外部邊緣，進入了星際空間。

這一對雙子般的旅行者號航天器，在40多年時間裡一直在太空中航行。儘管它的計算機系統只有68千位元組記憶體，大約是現在普通智慧手機記憶體的1/240000，卻為我們帶來從未有過的認知。

我將透過《旅行者號的故事》這本書，與大家分享因它們發射至今，而不斷重新定義著我們對太陽系的理解。

《仰望夜空》（Sky at Night）雜誌是一本由英國廣播公司（BBC）出版的關於天文學和天文觀測的雜誌，這本雜誌是在BBC已有50多年曆史的《仰望夜空》專欄電視節目的基礎上誕生的。《仰望夜空》欄目由知名天文學家帕特里克.摩爾爵士主持，現已成為BBC的經典節目之一。這個欄目的內容包羅永珍，從宇航登月到日食觀測，從夜觀天象到人物訪談等應有盡有。

本書是BBC基於《仰望夜空》雜誌出版的一系列圖書之一，書中從旅行者號探測器的宏偉構想講起，主要介紹了探測器探索太陽系和太陽系外未知領域的無數發現，以及未來命運又將如何等。

（一）宏偉的構想

1965年，還是實習生的加里.法蘭德羅注意到：在20世紀70年代的後期，木星、土星、天王星、海王星這4顆外行星都將位於太陽系的同一側，進入罕見的呈直線排列的狀態，這種天體排列每176年才會出現一次。如果我們發射一個航天器，可以一次性造訪這些行星，完成一次“盛大的旅行”。

之前，235年以前，海王星、天王星對我們來說還是未知的，太陽系到了木星和土星就已被認為到了“邊界”。

這個被稱為“盛大的旅行”專案在經歷了預算消減、反對者的抗議和日程安排不斷髮生衝突之後，終於還是開展了任務。

1977年3月在NASA所舉辦的命名大賽中“旅行者”最終勝出。

旅行者號確定出兩條軌道。旅行者1號在一條被稱為JST的軌道上，計劃飛往木星、土星，然後是泰坦，之後它將完全離開行星們所在的平面。旅行者2號的路徑被稱為JSX，沿著它飛往木星、土星，然後飛向天王星和海王星。

旅行者2號首先在1977年8月20日被髮射，這是因為它的軌道是兩條軌道里面航行速度比較慢的一條，而旅行者1號在1977年9月5日發射，它將在小行星帶追上旅行者2號。

外部行星的起源

幾幹年來，人類一直相信地球處於整個字宙的中心，這種信念在相對較近的時期才發生了變化。伊曼努爾，康德、皮埃爾·拉普拉斯和其他一些人認為太陽和它的追隨者出現於氣態的“星雲”中，而正是星雲的坍縮使周圍的塵埃和氣體形成一個超緻密、過熱的核。但是，我們的母恆星是如何獲得能量的，這個問題一直沒有答案，直到1938年，漢斯·貝特意識到太陽是由氫和氦的核聚變驅動的。

一部分天文學家認為，另一顆恆星在與太陽擦肩而過時從太陽上“撕下”了氣體的條帶。這些條帶上的物質進一步形成了行星的核心。也許是一顆更小、更冷的原恆星，或者是一顆發生爆炸的雙星伴星，它的爆炸為行星的演化留下了肥沃的增長土壤。

到1977年，科學共識才逐漸形成。這種觀點認為45億年前星雲的坍塌形成一顆原恆星，在它周圍還形成了一個氣體盤。逐漸地，氣體盤冷卻並形成行星的核，它們被周圍的材料不斷堆積填充。距離中心不同距離的星雲密度分佈導致了行星之間不同的化學成分：重元素向內凝結，較輕的揮發物質向外遷移。最終的結果就是出現了兩種行星型別：岩石態的行星和氣態的行星。

木星、土星、天王星和海王星的核心聚集了它們的主要化學成分，並生長到足夠的大小和質量，進而束縛住更多的星雲氣體。這4個比地球大很多倍的星體的秘密，正是旅行者號在1977年夏天所試圖揭示的。

拓展我們的認知

如果說我們對木星和土星的瞭解是粗略的，那麼在旅行者號探測器之前，我們對於最外層的兩顆巨行星的瞭解幾乎可以說是一片空白。

天王星，在1781年由威廉·赫歇爾用望遠鏡發現之前，已經多次被發現但一直被人們誤認為是一顆恆星。它的自轉軸與軌道平面呈一個很奇怪的98度傾角。

海王星則是直到1846年才被人們發現，人們將讓人費解的軌道力學、巧妙的數學推導與直接觀測相結合才得以發現海王星。

在這4顆巨行星周圍都存在大量的衛星，從木星的4顆伽利略衛星到土星的雙色調的伊帕託斯(土衛八）以及行星大小的泰坦(土衛六)。1944年，光譜學揭示出，泰坦是已知的第一顆擁有真正大氣的天然衛星。

至於其餘的衛星，人們對它們則知之甚少。海王星的大衛星海衛一直到20世紀才有正式名稱，並且儘管有證據表明它的表面有氮冰，但它的精確質量仍無法確定。

當旅行者號探測器飛到它們附近的時候，有關它們的那些疑問大部分終於得到了解答。這對兒航天器對巨行星們開展的巡迴旅行打開了人類知識的閘門，釋放出關於這些遙遠世界的史無前例的資料洪流。我們對木星、土星、天王星和海王星的全部理解將發生革命性的變化，儘管這些探索可能會再次引出更多新的問題。

（二）老朋友——木星、土星

木星秘密大爆發：

1979年1月，經過15個月的旅程，旅行者1號開始拍攝它盛大的旅行中，所遇到的第一顆行星——氣態巨行星木星。旅行者2號在幾個月之後將緊跟其後，並與1號一起重寫我們先前所知道的關於木星系統的幾乎所有知識，尤其是存在於地球之外的火山活動。

大驚喜

這是一個巨大的驚喜，發生在一顆天然的衛星上，而這顆衛星的大小、密度和我們那顆地質活動並不活躍的月球基本相同。艾奧和它的巨型主星距離很近（它的軌道離木星的中心僅42.18萬千米），這迫使它承受著比地球的磁場強幾百倍的強大磁場的衝擊，而且這個磁場的衝擊以10小時為一週期與木星的內部“共同旋轉”。大量的高能等離子體，沿著磁場線被來回傳遞。

磁場在磁赤道處膨脹，在一個巨大且傾斜的不斷上升和下降的“薄片”中向外推動著等離子體，在每個旋轉週期中先向北然後再向南地不停翻轉。木星與艾奧的相互作用關係非常複雜。當木星的磁場掃過艾奧時，每秒它都會從這顆衛星上剝離1000幹克左右的物質，用於形成由帶電粒子組成的甜甜圈形狀的“圓環面”，其存在和規模最先由先驅者10號推斷出來。地面觀測還發現了艾奧周圍形成於大氣噴射的中性鈉雲，以及二氧化硫的光譜指紋。

直到發現艾奧的火山活動，維持這個圓環面的物理過程才逐漸得到解釋。在旅行者1號的注視下，兩次電離的氧原子和鈉原子在紫外波段發出明亮的光。為了達到這樣的強度，電子的溫度就必須超過10萬攝氏度，輻射功率達到1兆瓦特(是整個美國發電能力的兩倍），並沿著“流量管”進入木星的磁層才行。

旅行者1號試圖飛過這個流量管，但最終還是偏離了它的中心大約5000千米。

兩個旅行者號用了幾個月的時間觀察木星，而且都是在它們飛臨木星最近時的前後實現的。7月，旅行者2號在距離木星5.76×10°千米的地方飛馳而過，發現在大紅斑南邊緣明顯開始“稀疏”，雲層向東延伸，大紅斑的顏色更均勻。在幾年前被首次看到的3個橢圓形白色斑點，每一個都和我們的月球一般大，也在一直穩步向東移動。

行星環被發現

木星的大小是地球的1300倍，是太陽系中最大、最重的行星。來自旅行者號的紅外資料測定了其組成成分為87%的氫和11%的氨，另外還含有微量的甲烷、水、氨和岩石。大量溫度極高的雲層、風暴和旋渦在雲帶和條紋中平穩穿過盤面，這表明在行星內部，起作用的是物質的運動而非能量的運動。

沿著緯線行進的西風至少向北和南延伸60度，遠比想象的離極點更近。但驚喜並沒有就此結束。在1979年之前，我們只知道土星和天王星有環，長期穩定性的理論模型還沒有預測到任何環會在木上存在。然而，在旅行者1號到達木星最近點僅僅17小時後，這一結論就被證明是錯誤的。一張為尋找s衛星而拍攝的照片顯示出，在木星周圍一個只有30幹米寬的細細的環環繞著它。“木星的主環可能是由被潮汐力撕裂的一個古老的衛星演變而來。”

這個環本身就很暗，主要由微小的岩石顆粒組成。

更多發現

旅行者號在木星上的發現突顯了行星探測的不可預測性。即使對於這顆太陽系中最大的行星，我們也僅僅揭開了它神秘面紗的一角。對於旅行者號科學家來說，這是一生中或許僅能體驗一次的難得經歷。NASA太空科學副署長湯瑪斯·蒙克把它比作“在船隻登陸時分或穿越各種奇怪島嶼時，坐在桅杆頂端的瞭望臺上，發現各種光怪陸離的新奇景象”一樣的神奇經歷。

艾奧上的火山，巨大的極地極光，以及從前未知或沒有觀察到的行星環和衛星，這所有的一切，在科學家將探索任務，交給離家數百萬幹米的旅行者號之前，是根本不可能被提前預見的；它們的發現，改寫了後1/4個世紀教科書中，那些關於木星的內容。

小結，旅行者號歷時40多年的太空航行，為人們帶來巨大的發現和驚喜。它們的一些儀器已經失效，有一些儀器已經被有意的停用。它們正處於其時代的最前沿，並且教會我們如何準備所有後續的行星任務。

明天見！