旅行者号已经远去,40多年过去了,为何不进行新的星际探测了?

好奇心促使人类养成了挖掘秘密的好习惯,而宇宙间最大的秘密就隐藏在那遥远的深空之中。

人类对于探索宇宙深空充满了期待,但若要付诸于行动,却又颇为困难,上一次,人类以太阳系外作为目标发射探测器还是40多年以前的事情了,那一次的探测计划被冠名为“伟大航道”,而执行这一计划的就是著名的旅行者号。

1977年,NASA先后以太阳系外作为目标发射了两个宇宙探测器,分别为旅行者1号和旅行者2号,作为人类历史上第一批去往太阳系外的宇宙探测器,它们自然与其它的航天器有着明显的区别。航天器在太空中运行和工作是需要能量的,而在太空中获取能量并不是一件困难的事情,因为太空中有太阳。在宇宙中,一般的航天器不仅可以收集太阳能量来为自身供能,甚至于可以直接利用太阳进行移动。

宇宙是几近真空的,在这里没有包括空气在内的任何物质可以阻挡光子的移动,所以航天器只需要竖起太阳光帆,就可以在太阳光子不断撞击光帆的过程中获得动量的累加,从而获得加速度。

当然了,旅行者号并不能这样做,因为它们的目标是太阳系之外,这也就注定了它们将会离太阳越来越远,所以它们需要自带干粮。旅行者号的“干粮”就是小型核反应堆,利用核反应从钚元素的衰变中获得能量,当然这些能量并不是用来加速的,而是用来维持设备的耗能以及对探测器角度和方向进行微调。作为人类历史上第一批离开太阳系的家伙,自然是要带上一些有趣的东西的,于是两张向外星人介绍地球的镀金铜制唱片就被装上了飞船,唱片内包括万象,甚至于有着以广东话、闽南话以及客家话录制的问候语,这张唱片就被称之为“地球之音”。

现在旅行者一号已经到达了距离地球220亿公里的远方,与40多年前相比,现在的航天技术已经有了不小的发展,为什么不继续发射新的星际探测器了?

其实,当年发射旅行者探测器也是临时决定的。无论是现在,还是40多年前,人类其实都不具备进行深空探测的能力,发射旅行者是起于一个机缘。在世纪70年代,科学家通过观测发现,太阳系的四颗巨行星,木星、土星、天王星和海王星正在向太阳系的一侧靠拢,这种机会每176年才会出现一次,这就使得向太阳系外发射探测器成为了可能。

要摆脱一个引力场的束缚,就必须要达到一定的初始速度,比如要摆脱地球引力的束缚去探索其它行星,就必须要达到第二宇宙速度,也就是11.2km/s,而要摆脱太阳引力,让航天器飞往太阳系之外,就必须要达到第三宇宙速度,也就是16.7km/s,而人类显然是办不到的。

虽然人类无法直接让航天器实现16.7km/s的初始速度,但利用四颗巨行星的引力弹弓效应进行加速,就使得飞出太阳系有了可能。

何为引力弹弓效应呢?我尽量用一种便于理解的方式加以解释。引力弹弓效应与弹性碰撞同理,何为弹性碰撞?如果我们向迎面驶来的汽车扔石头,那么石头在与汽车撞击之前和撞击之后的相对速度是相等的。

举例,石头飞行速度为1m/s,汽车行驶速度为10m/s,撞击之前,石头与汽车相对运动,相互靠近的速度为11m/s,这就是它们的相对速度。当石头与汽车撞击之后,相对速度仍然与撞击之前相同为11m/s,但撞击之后的石头和汽车是向同一个方向运动的,由于汽车的速度为10m/s,所以两者的相对速度要想达到11m/s,那么石头的运动速度就得是21m/s。所以我们在向汽车扔石头的时候,石头的飞行速度并不快,但和汽车发生碰撞之后,飞回来的速度就很快了,可以把我们打得头破血流。

引力弹弓效应与弹性碰撞的原理基本相同,不同的是引力弹弓效应并没有发生真实的碰撞,而是利用了天体的引力效应。

以旅行者二号为例,它在进入木星引力范围之前的速度大概只有10km/s,在利用木星的引力弹弓效应加速之后,离开木星时的速度已经达到了35km/s,可见,如果探测器接连利用四大巨行星的引力弹弓效应进行加速,那么所能达到的速度不可小觑。

正是在这样的背景之下,旅行者一号和二号相继出发了,而要再等一次这样的机遇,那就是176年以后的事情了,所以在那之后,人类并没有发射以深空探测为目的的宇宙探测器。至于2006年发射的新视野号,目的是为了探索柯伊伯带。

选择在1977年发射旅行者号,除去为利用四大巨行星的引力弹弓效应之外,还有一个原因,就是可以一次性实现对四大行星的探测。

不过在实际的探测过程中,由于旅行者一号对土星的卫星土卫六进行了计划外的探测,所以在土卫六引力的影响下,飞行轨迹发生了变化,并没有完成后续的探测,所以唯一对四大巨行星完成探测的只有旅行者二号。旅行者号是人类历史上唯一一次以太阳系外为目标发射探测器,但本质上这仍不能算是一次真正的星际探测,因为这次探测并没有具体的目标,我们也没有能力为旅行者设定这样的目标,甚至于在不久的未来,随着电力的耗尽,我们也将失去与旅行者的一切联系,它们将真正成为宇宙中漫无目的的旅行者,至于所携带的唱片能否获得播放的机会,只能寄希望于缥缈无边的机缘了。

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