旅行者1号距离地球243亿公里,为什么还能和地球保持联系?

星空承载梦想 2025-01-25 09:32:30
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在1543年的时候,哥白尼提出了日心说,改变了人类对宇宙的认识,1609年,伽利略用望远镜观测到了月球表面的山脉和山谷,为日心说提供了证据,开启了望远镜观测太空的时代,20世纪初,齐奥尔科夫斯基、戈达德、奥伯特等科学家奠定了现代航天学的理论基础,提出了利用火箭进行太空飞行等理论。1957年10月4日,苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”,标志着人类进入太空时代。1961年4月12日,苏联宇航员加加林乘坐“东方1号”飞船进入太空,成为第一个进入太空的人类。1969年7月20日,美国“阿波罗11号”飞船载着阿姆斯特朗等三名宇航员成功登陆月球,阿姆斯特朗成为第一个在月球上行走的人类。

从人类走出地球之后,人类对宇宙的探索并没有停止脚步,宇宙浩瀚而神秘,激励着人类不断探索和前进,未来能够更好的了解宇宙的奥秘,人类也做了很多努力,比如说发射了众多探测器,1959年苏联发射了月球1号,是人类首个抵达月球的探测器,1973年,美国发射了水手10号,是第一个水星探测器,1970年苏联发射了金星7号,是第一个金星表面软着陆的探测器,2004年,欧洲航天局发射了罗塞塔号,成功在彗星67P/楚留莫夫-格拉西门克上着陆,首次实现了人类探测器在彗星上面软着陆,不过对人类影响力最大的还是旅行者1号探测器,在20世纪70年代,人类对太阳系的了解还存在很多空白,尤其是外太阳系的行星以及卫星等。

科学家希望能够获取更多详细的行星数据,而且正好遇到太阳系的木星、土星、天王星和海王星等外行星将处于一个特殊的相对位置,形成了一个罕见的行星排列格局,被称为是“行星连珠”,这一现象为探测器提供了一次绝佳的利用行星引力进行加速的机会,使得旅行者1号能够以相对较少的能力消耗,在较短时间内访问多个外行星,大大提高了探测效率和科学回报。在1977年9月5日,旅行者1号探测器在美国弗洛里达州发射升空,在发射之前,科学家还在旅行者一号上面搭载了一张12英寸的铜质磁盘唱片,采用镀金的锻造工艺,并配置以金刚石为原材料打造的留声针,使音质和内存得以拥有“金刚不坏之身”,甚至能够完整保存十几亿年都崭新如初。

在这个金唱片上面,一共有115幅图像,以模拟信号方式收录,其中包括构成人类生命的化学元素,各种人文场景、自然风光、山川河流等,里面包括了55种语言问候语,包括阿卡德语、闽南语、阿拉伯语、亚拉姆语、亚美尼亚语等,有6000年前于苏美尔地区说的阿卡德语,还有中国的四种方言(粤语、吴语、普通话、闽南语)。除此之外还有卡特总统及当时联合国秘书长库尔特.瓦尔德海姆的讯息,卡特总统的讯息节录为“我们把这个讯息投放到宇宙……在银河系的二千亿颗星里,一些…希望有很多…有住人的行星或者太空旅行者的文明。要是其中一个文明捕获旅行者探测器并明白唱片里收录的内容,那么这就是我们的讯息:我们尝试在我们的时光里活着,或许有天会在你们的时光里活着……”

唱片的封套上面有一块高纯度的铀238,其衰变为钚239的半衰期约为41.7亿年,外星生命可据此推算探测器的发射日期。并且还标注了太阳系和地球的位置,旅行者1号探测器带着人类的期望和梦想飞向了太空,在飞行过程中,它利用了多次引力助推效应,提供了其速度和改变了其方向,先后经过了木星、土星、土卫六、土卫十二等,并向地球传回了大量的科学数据和图像,在经过木星和土星的时候,它拍摄到了大量关于这两个气态巨行星以及其卫星和环的高清晰度照片和数据,它还观测了木星系统中伊欧火山喷发、土星环中涡旋结构等奇妙现象,并发现了土星最大卫星泰坦有厚厚的大气层等重要发现。

拍摄完土星之后,旅行者1号最初的任务就已经完成了,但是它并没有返航,而是继续朝着宇宙深处飞行,在1989年8月25日,它是第一个穿越日球层终点层的人造物体,并且进入太阳系外部的星际空间,在星际空间遇到了高温火墙,这个高温火墙其实就是日球层顶,它是太阳风所能抵达的最远距离,是太阳风和星际介质以及辐射相互作用形成的一道天然的屏障,标志着日球层的边界,从整体上来看,它像是一层包裹着太阳系的囊,呈现出不规则的椭圆形,火墙温度高达49427摄氏度,不过大家不需要担心,由于太空中物质的密度极小,高温只是微观现象,是计算粒子运动速度后得出的微观温度,并非宏观感觉上的高温,不会像地球上那样有大量分子热运动来传导热量。

所以旅行者1号探测器能够正常的穿过这个高温火墙,这道火墙不仅仅界定了太阳系的边界,还起到了保护太阳系的作用,能够使太阳系免受星际辐射的影响,为太阳系内部的行星和其它天体提供了保护,看到这里,相信很多人都会产生一个疑问,就是为什么旅行者1号探测器距离地球如此遥远,它还能够和地球保持联系?在发射之前,科学家也考虑到了这个问题,当时NASA为了顺利收到这些从几百亿公里外飞过来的电磁信号,专门在旅行者1号上面设置了一个直径3.7米的定向天线,并且保证它始终对准地球方向,然而这种信号的功率只有20瓦,放在地球上最多只能够点亮一盏灯泡,想让它们跨越几百亿公里,就必须在频段上选择一个几乎没有干扰的位置,地球方面也要设置很多巨型射电望远镜,去接收和放大旅行者1号的电磁波。

目前NASA在全球范围内建设了三组射电望远镜阵列,即使地球自转也不会丢失信号,数十架射电望远镜的口径从几米到70米不等,在捕捉到细微信号后还能够把它放大数千倍,进而获得旅行者1号的各种情况,而且旅行者1号采用了先进的编码、调制等信号处理技术,使得信号在传输过程中抗干扰能力更强大,地球上的接收系统也具备了强大的信号解码和处理能力,能够从噪音中提取出有用的信号信息,它能够通过自身的姿态控制系统,能够精确的将天线指向地球方向,确保信号传输的方向准确,地面控制中心也会根据旅行者1号的轨道和位置,实时调整地球上天线的指向,以实现最佳的通信连接。

旅行者1号上面还安装了飞行数据子系统,这个系统能够根据旅行者1号上的各种相关传感器采集到的信息进行计算,并且利用这些数据和已知的飞行时的飞行轨迹数据进行对比,判断旅行者1号的飞行轨迹是否偏离,影响通信,一旦发现了异常,这个系统就会第一时间启动高增益天线,对准地球,而不必等待控制人员收到地球和使用控制旅行者1号进行命令,这样可以极大的提高通信的实时性,美国国家宇航局在美国境内建立了三个深空网站,覆盖了世界上大多数地方的视野,能够接收到旅行者1号和其它深空探测器发出的信号,这三个深空网站分别是澳大利亚的金泉山深空网络以及美国的加利福尼亚大都会深空网络和马德拉斯深空网络。

三个深空网络站点实际上都是由数十个大型抛物面天线组成的,这些大型抛物面天线都是专门为深空网络建立起来的,他们能够接收到非常微弱的信号,也能和宇宙飞船保持通信。不过在必要时刻,旅行者1号才会向地球传输信息,并且它的电池电量是有限的,旅行者1号上面的电池和我们普通的电池是有区别的,它使用了一种黑科技-三节核电池,最大输出电力470瓦,简单来说,这是三个放射性同位素热电发电机,每一个RTG里面放有24个压制而成的钚-238球,这可不是一般的金属球,而是一种非常强大的放射性物质。钚-238(Pu-238) 看起来就像是一块红色的木炭一样,通过放射α、β等粒子而不断地释放能量,1克钚-238就能产生0.57瓦能量,放射性同位素热电发电机(RTG)将钚-238释放出的能量转化为电能,但是热电转化并不变,转化率不超过20%。

钚-238半衰期周期为87.7年,也就是说87.7年之后,RTG内的钚-238质量减少一半,按理说,只要同位素热电发电机(RTG)质量足够好,可以用到87.7年,即2064年,电力减少到230瓦,230瓦电力旅行者1号还可以继续飞行。不过发电机内部的热偶材料老化,加速电力的减少,也就是说热电转化率越来越少,虽然现在仅仅过去40多年,但是RTG提供电力已经低于200瓦了,为了节省电力,一些没有必要的仪器,已经停止运行,作为目前距离地球最远的探测器,现在只剩下了最基本的应答功能,所有的科学探测设备都已经关闭,核电池的电量也所剩无几,NASA的工程师预计2025年旅行者1号就会耗尽所有电量,彻底和地球失去联系。

此后它将在宇宙中孤独的飞行,人类无法再获得其探测数据和状态信息,在浩瀚的宇宙中,虽然星际空间物质密度很低,但是旅行者1号的飞行路程很长,存在和星际尘埃、小行星等物质相撞的可能性,一旦发生撞击,可能会导致探测器结构损坏、功能失效、甚至彻底毁灭,如果没有遇到碰撞,旅行者1号将凭借自身的惯性和初始速度,在宇宙中一直漂流下去,它将会带着人类的信息和探索精神,在宇宙中孤独的飞行,虽然它已经无法再向人类发射信号,但是它承载着人类对未知的好奇和探索精神,激励着无数人投身天文学、生物学等科学研究,它让人类更加深刻的认识到地球在宇宙中的渺小和人类自身的位置,引发了人类对宇宙、生命和人类存在意义的哲学思考,拓展了人类的宇宙观和世界观。

小编认为,宇宙浩瀚而神秘,在宇宙中隐藏着很多人类还没有发现的奥秘,宇宙到底是如何产生的?在宇宙中是不是存在大量的外星生命,这些都是人类想要解开的奥秘,只不过现在人类的科技有限,人类还无法解开这些奥秘,不过人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技一直都在不断的进步和发展,未来随着人类科技的发展,人类将会变得越来越强大,到时候我们将会了解更多的宇宙奥秘,希望人类能够早日实现自己的梦想,能够在宇宙中长久的发展下去,未来人类一定还会再次发射像旅行者1号这样的探测器,这将会影响人类对宇宙的认识,对此,大家有什么想说的吗?

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简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章