好奇心促使人類養成了挖掘秘密的好習慣,而宇宙間最大的秘密就隱藏在那遙遠的深空之中。
人類對於探索宇宙深空充滿了期待,但若要付諸於行動,卻又頗為困難,上一次,人類以太陽系外作為目標發射探測器還是40多年以前的事情了,那一次的探測計劃被冠名為「偉大航道」,而執行這一計劃的就是著名的旅行者號。
1977年,NASA先後以太陽系外作為目標發射了兩個宇宙探測器,分別為旅行者1號和旅行者2號,作為人類歷史上第一批去往太陽系外的宇宙探測器,它們自然與其它的太空飛行器有著明顯的區別。太空飛行器在太空中運行和工作是需要能量的,而在太空中獲取能量並不是一件困難的事情,因為太空中有太陽。在宇宙中,一般的太空飛行器不僅可以收集太陽能量來為自身供能,甚至於可以直接利用太陽進行移動。
宇宙是幾近真空的,在這裡沒有包括空氣在內的任何物質可以阻擋光子的移動,所以太空飛行器只需要豎起太陽光帆,就可以在太陽光子不斷撞擊光帆的過程中獲得動量的累加,從而獲得加速度。
當然了,旅行者號並不能這樣做,因為它們的目標是太陽系之外,這也就註定了它們將會離太陽越來越遠,所以它們需要自帶乾糧。旅行者號的「乾糧」就是小型核反應堆,利用核反應從鈽元素的衰變中獲得能量,當然這些能量並不是用來加速的,而是用來維持設備的耗能以及對探測器角度和方向進行微調。作為人類歷史上第一批離開太陽系的傢伙,自然是要帶上一些有趣的東西的,於是兩張向外星人介紹地球的鍍金銅製唱片就被裝上了飛船,唱片內包括萬象,甚至於有著以廣東話、閩南話以及客家話錄製的問候語,這張唱片就被稱之為「地球之音」。
現在旅行者一號已經到達了距離地球220億公裡的遠方,與40多年前相比,現在的航天技術已經有了不小的發展,為什麼不繼續發射新的星際探測器了?
其實,當年發射旅行者探測器也是臨時決定的。無論是現在,還是40多年前,人類其實都不具備進行深空探測的能力,發射旅行者是起於一個機緣。在世紀70年代,科學家通過觀測發現,太陽系的四顆巨行星,木星、土星、天王星和海王星正在向太陽系的一側靠攏,這種機會每176年才會出現一次,這就使得向太陽系外發射探測器成為了可能。
要擺脫一個引力場的束縛,就必須要達到一定的初始速度,比如要擺脫地球引力的束縛去探索其它行星,就必須要達到第二宇宙速度,也就是11.2km/s,而要擺脫太陽引力,讓太空飛行器飛往太陽系之外,就必須要達到第三宇宙速度,也就是16.7km/s,而人類顯然是辦不到的。
雖然人類無法直接讓太空飛行器實現16.7km/s的初始速度,但利用四顆巨行星的引力彈弓效應進行加速,就使得飛出太陽系有了可能。
何為引力彈弓效應呢?我儘量用一種便於理解的方式加以解釋。引力彈弓效應與彈性碰撞同理,何為彈性碰撞?如果我們向迎面駛來的汽車扔石頭,那麼石頭在與汽車撞擊之前和撞擊之後的相對速度是相等的。
舉例,石頭飛行速度為1m/s,汽車行駛速度為10m/s,撞擊之前,石頭與汽車相對運動,相互靠近的速度為11m/s,這就是它們的相對速度。當石頭與汽車撞擊之後,相對速度仍然與撞擊之前相同為11m/s,但撞擊之後的石頭和汽車是向同一個方向運動的,由於汽車的速度為10m/s,所以兩者的相對速度要想達到11m/s,那麼石頭的運動速度就得是21m/s。所以我們在向汽車扔石頭的時候,石頭的飛行速度並不快,但和汽車發生碰撞之後,飛回來的速度就很快了,可以把我們打得頭破血流。
引力彈弓效應與彈性碰撞的原理基本相同,不同的是引力彈弓效應並沒有發生真實的碰撞,而是利用了天體的引力效應。
以旅行者二號為例,它在進入木星引力範圍之前的速度大概只有10km/s,在利用木星的引力彈弓效應加速之後,離開木星時的速度已經達到了35km/s,可見,如果探測器接連利用四大巨行星的引力彈弓效應進行加速,那麼所能達到的速度不可小覷。
正是在這樣的背景之下,旅行者一號和二號相繼出發了,而要再等一次這樣的機遇,那就是176年以後的事情了,所以在那之後,人類並沒有發射以深空探測為目的的宇宙探測器。至於2006年發射的新視野號,目的是為了探索柯伊伯帶。
選擇在1977年發射旅行者號,除去為利用四大巨行星的引力彈弓效應之外,還有一個原因,就是可以一次性實現對四大行星的探測。
不過在實際的探測過程中,由於旅行者一號對土星的衛星土衛六進行了計劃外的探測,所以在土衛六引力的影響下,飛行軌跡發生了變化,並沒有完成後續的探測,所以唯一對四大巨行星完成探測的只有旅行者二號。旅行者號是人類歷史上唯一一次以太陽系外為目標發射探測器,但本質上這仍不能算是一次真正的星際探測,因為這次探測並沒有具體的目標,我們也沒有能力為旅行者設定這樣的目標,甚至於在不久的未來,隨著電力的耗盡,我們也將失去與旅行者的一切聯繫,它們將真正成為宇宙中漫無目的的旅行者,至於所攜帶的唱片能否獲得播放的機會,只能寄希望於縹緲無邊的機緣了。