1977 年夏天,两艘不到一吨重的探测器从地球出发。它们拜访了木星、土星、天王星和海王星,越过太阳风的边界,至今仍在星际空间里,用约 20 瓦的发射功率给家里写信。
届时它离我们约 259 亿公里,光要走整整 24 小时。从地球发一句"你好",要等两天才能收到回音。它是第一个走到这么远的人造物体,从此再也不会回到 1 光日以内。
1965 年,加州理工学院的研究生加里·弗兰德罗(Gary Flandro)在喷气推进实验室(JPL)计算后发现:1970 年代末,木星、土星、天王星、海王星将排到太阳同一侧。一艘探测器可以借助每颗行星的引力"弹弓",依次拜访全部四颗,而这样的排列大约每 175 年才出现一次。
原本的"大旅行"(Grand Tour)计划要造 4–5 艘新型探测器,因经费过高在 1971 年被取消。1972 年 NASA 改批一个缩水版:用水手号系列技术造两艘只去木星和土星的探测器,代号 MJS77(水手–木星–土星 1977)。1977 年 3 月,它更名为 Voyager(旅行者)。
探测器从行星"身后"掠过时,会从行星公转中偷走一点点动量,速度大增、方向改变,行星的公转却几乎不受影响。旅行者2号连续借助了四次,把原本要 30 年的海王星之旅缩短到 12 年。
旅行者2号在 1977 年 8 月 20 日先发射;1 号晚 16 天出发,但走的是更快的轨道,1977 年 12 月在小行星带超过了 2 号,率先抵达木星和土星。编号按"谁先到"而不是"谁先走"。
金色节点属于旅行者1号,青色属于旅行者2号,红色是工程事件和抢救。
JPL 暑期实习生加里·弗兰德罗发现 1970 年代末的外行星排列,可用引力助推一次拜访四颗巨行星。
"大旅行"因预算被取消后,NASA 批准两艘探测器的木星–土星任务,1977 年 3 月更名 Voyager。
泰坦 IIIE–半人马座火箭,从佛罗里达卡纳维拉尔角 41 号发射台升空。
同型火箭发射,轨道更快。9 月 18 日,它在约 1166 万公里外拍下第一张地球与月球同框的照片。
在小行星带中,旅行者1号超过了先出发的旅行者2号。
最近距离约 34.9 万公里(距木星中心)。导航工程师琳达·莫拉比托在图像中发现木卫一(Io)上的火山羽流,这是人类首次在地球以外看到活火山。还发现了木星的暗弱光环。
最近距离约 57 万公里。详细拍摄了木卫二(Europa)布满裂纹的冰壳,为后来"冰下海洋"假说提供了线索。
距土星云顶约 12.4 万公里,并近距离飞越土卫六(泰坦),发现其浓厚的氮气大气层。这次近距离飞越把旅行者1号甩出黄道面,结束了它的行星之旅。
距云顶约 10.1 万公里。飞掠后扫描平台一度卡住,工程师远程排除故障,为后续天王星、海王星之行保住了相机。
距云顶约 8.15 万公里。发现 10 颗新卫星、2 条新光环,测得天王星磁场相对自转轴倾斜约 59°,拍下"拼凑而成"的天卫五(Miranda)。
从海王星北极上空约 4950 公里处掠过,是整个任务中最近的一次行星飞掠。发现大暗斑、时速约 2000 公里的狂风、6 颗新卫星,以及海卫一(Triton)上的氮气"间歇泉"。
行星探测结束,任务转向研究日球层边界与星际空间。
应卡尔·萨根的提议,旅行者1号在约 60 亿公里外回望,用 60 帧图像拍下太阳系"全家福",其中地球只是一个不到一个像素的光点。随后相机永久关闭,以节省电力和内存。
旅行者1号在约 69 AU 处超过先驱者10号,从此一直保持这一纪录。
约 94 AU 处,太阳风从超音速骤降到亚音速,进入日鞘。
约 84 AU 处,且在几个不同位置多次穿越,说明这道边界在"呼吸"般起伏。
约 121.6 AU 处穿过日球层顶,成为第一个进入星际空间的人造物体。由于它的等离子体仪器早已失效,直到 2013 年才由等离子体波仪器"听"出周围电子密度升高,正式确认。
姿态推进器老化,工程师改用自 1980 年以来从未使用过的轨道修正(TCM)推进器,一次成功。
约 119 AU 处穿过日球层顶。它的等离子体仪器仍在工作,首次直接测量了这道边界本身。
2 号只能靠澳大利亚堪培拉的 70 米天线 DSS-43 发送指令。该天线停机升级期间,2 号基本处于"无人指挥"状态,升级完成后恢复联络。
原因是姿态控制计算机(AACS)误把数据送进一台早已故障的计算机,工程师改由另一台计算机发送后解决。
一条错误指令让天线偏离地球。深空网络捕捉到了它微弱的"心跳"载波,随后用最大功率"喊话"发送纠正指令,成功恢复。
飞行数据子系统(FDS)一块存储芯片损坏,探测器开始发回无意义的 0 和 1。团队把受损内存里的代码拆开,分散塞进其他内存区域。2024 年 4 月恢复工程数据,6 月四台科学仪器全部恢复。
故障保护关闭了 X 波段发射机,自动切换到 43 年未用的 S 波段发射机;11 月恢复 X 波段。
功率不足,开始按事先确定的顺序关闭仪器。
它曾在 2012 年帮助判定 1 号已离开日球层。
LECP 的旋转平台步进电机原本按 50 万步设计,关机前已走了 850 万步以上。
1 号的主滚转推进器自 2004 年起被认为已失效。工程师推断是加热器电路的开关被意外翻转,冒险发令重置后,推进器恢复工作。
功率余量几乎耗尽,团队决定提前关闭下一台仪器。
只剩磁强计(MAG)和等离子体波子系统(PWS)在采集科学数据。LECP 驱动电机的 0.5 瓦电源仍保留,为日后可能重新开机留一线希望。
工程师同时关闭三台加热和用电设备,换上三台更省电的替代设备,必须一次同时完成才能保证热量分布。先在功率稍宽裕的 2 号上实施,约六周后的 9 月初在 1 号上完成。若不做这次改造,1 号最早在 2027 年夏天就得再关一台仪器。
深空网络连续两次没收到信号,10 月 20 日信号重现。初步发现一组推进器离线、备份推进器被故障保护自动启用,原因仍在调查。
北京时间 18:16:07,旅行者1号距地球约 258.9 亿公里,成为第一个到达 1 光日距离的人造物体。
项目经理苏珊娜·多德表示,她"相当有信心"两艘探测器都能撑到这一天。
在旅行者号之前,人类对外太阳系的了解大多来自地面望远镜里模糊的光斑。今天教科书里关于木星到海王星的许多图像和知识,都来自这十年。
两艘探测器完全相同。它们的计算机内存加起来大约只有 69 KB,比今天一张手机照片还小,却支撑了近 50 年的自主运行。
三套计算机分工明确:CCS(指令与控制)是"大脑",负责解读指令和故障保护;FDS(飞行数据子系统)负责打包科学与工程数据;AACS(姿态与关节控制)让天线始终对准地球。
到达地球时,旅行者号的信号已微弱到远小于一万亿分之一瓦,需要 NASA 深空网络(美国戈尔德斯通、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉)的 70 米或 34 米天线组阵接收。旅行者2号向南飞,只有堪培拉能"看见"它。
每艘探测器有 10 台相同的科学仪器。电力每年减少约 4 瓦,团队按科学团队早已商定的顺序一台台关闭。状态截至 2026 年 10 月。
| 仪器 | 用途 | 旅行者1号 | 旅行者2号 |
|---|---|---|---|
| MAG 磁强计 | 测量行星和星际磁场 | 运行中 | 运行中 |
| PWS 等离子体波子系统 | "听"等离子体振荡,推算电子密度 | 运行中 | 运行中 |
| CRS 宇宙线子系统 | 测量高能宇宙线 | 2025-02-25 关闭 | 运行中 原计划 2026 年关闭 |
| LECP 低能带电粒子仪 | 测量离子、电子 | 2026-04-17 关闭 保留电机供电,或可重启 | 2025-03-24 关闭 |
| PLS 等离子体科学仪 | 测量太阳风等离子体 | 1980 年起性能下降,2007 年关闭 | 2024 年秋关闭 |
| ISS 成像系统(广角/窄角相机) | 拍摄行星和卫星 | 1990 年关闭 暗淡蓝点后 | 1989 年后关闭 |
| IRIS 红外干涉光谱仪 | 大气成分与温度 | 已关闭 | 已关闭 |
| UVS 紫外光谱仪 | 高层大气、星际紫外 | 2016 年关闭 | 已关闭 |
| PPS 光偏振计 | 光环、大气颗粒 | 已关闭 | 已关闭 |
| PRA 行星射电天文 | 行星射电辐射、闪电 | 已关闭 | 已关闭 |
另有利用通信系统完成的无线电科学(RSS)实验,曾用于测量行星大气和光环。
那粒悬浮在阳光里的微尘,就是我们的家。—— 概括卡尔·萨根在《暗淡蓝点》(1994)中对这张照片的感想
人类所有的悲欢、所有的历史,都发生在它上面。
照片中的地球只占 0.12 个像素,恰好落在相机内部散射形成的一道阳光里。为拍摄这组"家庭合影",萨根游说了多年:有人认为对着太阳拍照风险大且没有科学价值。拍完后不久,旅行者1号的相机就永久关闭了。
每艘旅行者号上都有一张 12 英寸镀金铜唱片《地球之音》(The Sounds of Earth),装在铝制外壳里,外壳上电镀了一小块超纯铀-238 样本,用来帮发现者推算发射时间。唱片由卡尔·萨根领衔的委员会在不到一年内选定内容,安·德鲁扬担任创意总监。
音乐从巴赫、贝多芬、莫扎特到查克·贝里的摇滚,从印度拉格、塞内加尔打击乐到纳瓦霍夜歌。唯一的中国曲目是古琴大师管平湖演奏的《流水》,长约 7 分钟。唱片还收录了时任美国总统卡特和联合国秘书长瓦尔德海姆的致辞,以及德鲁扬一小时的脑电波与心跳录音。
"各位都好吧?我们都很想念你们,有空请到这儿来玩。"
"各位好吗?祝各位平安健康快乐。"
"太空朋友,恁好!恁食饱未?有闲着来阮遮坐喔。"
"祝你们大家好。"
太阳不断向外吹出带电粒子流(太阳风),在星际介质中吹出一个巨大的气泡,叫日球层。旅行者号是唯一两件在星际空间里直接测量过的人造物体。
太阳风以每秒约 400 公里的速度吹出,在约 84–94 AU 处骤降到亚音速,形成激波。1 号于 2004 年、2 号于 2007 年穿过。
在约 120 AU 处,太阳风被星际介质挡住。1 号于 2012 年、2 号于 2018 年穿过,此后周围的等离子体密度明显升高。
星际磁场方向与日球层内几乎一样,出乎预料;PWS 还"听"到了持续微弱的等离子体嗡鸣,以及太阳爆发传来的激波。
这取决于怎么定义"太阳系"。以太阳风为界,两艘旅行者号都已在星际空间;但以太阳引力为界,它们还远没走出去:外围的奥尔特云内缘估计在约 1000–2000 AU 外,旅行者1号大约 300 年后才会到达,穿过它可能要 3 万年。
每发一条指令,要等将近两天才知道结果;手边能参考的是 1970 年代的纸质文档,熟悉原始设计的工程师大多已经退休。这几年的抢救,几乎每一次都是"第一次"。
FDS 中约 3% 的内存损坏,1 号开始发送无意义数据。团队从一份内存读出数据中找到故障位置,把那段代码拆成小块分别放进其他内存,并改写相互引用的地址。前后用了约 7 个月。
2 号天线偏离地球 2°,双向通信中断。深空网络先捕捉到它的载波"心跳",再用堪培拉天线以最大功率向它发送指令,37 小时后天线重新对准地球。
1 号的备用滚转推进器管路被推进剂残留物堵塞,可能撑不过 2025 年秋。工程师推测"死了" 21 年的主推进器只是加热器开关被翻转,于是冒险重置开关。若在推进器动作时打开了失灵的加热器,可能引发小爆炸。结果成功了。
加热器既要省电又要防止肼管路冻结。三台设备必须同时关闭、同时换上低功耗替代品,才能兼顾功耗与热量分布。先在 2 号上演练,再在 1 号上完成,为剩余仪器赢得了更多时间。
2026 年 11 月 18 日,1 号到达 1 光日;2027 年 8–9 月,两艘探测器迎来发射 50 周年。
电力持续下降,预计 2030 年代初两艘探测器都只能保留最多一台仪器,随后只能发回工程数据,最终连发射机也无法供电。
即使仍有电力,到 2030 年代中后期,探测器也将超出深空网络的接收能力。
旅行者2号速度较慢,要到 2035 年 11 月左右才到 1 光日,届时它几乎一定已沉默。
1 号进入假想中的奥尔特云,穿过它或需约 3 万年。
1 号将在约 1.6 光年外经过鹿豹座的格利泽 445;2 号将在约 1.7 光年外经过仙女座方向的罗斯 248。之后,它们将绕银河系中心漂流数十亿年。
Ed Stone,1972–2022 年任项目科学家整整 50 年,带领团队完成全部行星发现与星际确认,2024 年 6 月去世。
Carl Sagan,成像团队成员,金唱片委员会主席,"暗淡蓝点"照片的推动者。
Ann Druyan,金唱片创意总监,挑选了《流水》等曲目,并录下自己的脑电波。
Gary Flandro,1965 年在 JPL 计算出外行星排列窗口,奠定"大旅行"思路。
Suzanne Dodd,1984 年以序列工程师身份加入,2010 年起任项目经理,领导了近年的多次抢救。
Linda Spilker,1977 年起参与任务,现任项目科学家,长期致力于向公众讲述旅行者号。
另有琳达·莫拉比托(发现木卫一火山)、卡里姆·巴达鲁丁(任务经理),以及数代 JPL 工程师。
VGER 是本站的智能向导,熟悉旅行者号的一切:轨道、仪器、金唱片、每一次抢救,并能读到上方的实时距离推算。名字向 1979 年电影《星际迷航:无限太空》致敬:片中那台名为"V'Ger"的神秘机器,正是一艘铭牌磨损的旅行者号。
不能。相机在 1990 年前后关闭,加热器和电力早已不允许重新开机。即使重新开机,远处恒星也只是光点,太阳系方向则会被太阳光淹没。
相对太阳,旅行者1号约 17 km/s(约 6.1 万 km/h),2 号约 15.4 km/s。这些速度大多是借行星引力获得的,发射时的火箭只给了它们刚好够到木星的能量。
地球绕太阳公转,每年有几个月朝着探测器方向运动,速度约 30 km/s,比探测器远离太阳的速度还快,所以那段时间地心距离会短暂减小。
几乎不可能。恒星之间极其空旷,未来数万年内与它们最接近的恒星也在 1.6 光年以外。
不会。新视野号速度约 14 km/s,比旅行者1号慢,距离只会被越拉越大。旅行者1号很可能长期保持"最远人造物体"的纪录。
星际等离子体本身的"温度"可以很高,但极其稀薄,几乎无法传热。探测器的温度取决于自身发热:仪器关闭、加热器断电后,例如 2 号的宇宙线仪器在加热器断电后降到约零下 59 ℃,远低于设计耐受温度,却依然在工作。
业余设备不行。它的信号到达地球时极其微弱,需要直径 70 米的天线或多面天线组阵接收。