她拍下的这张照片，让人类重新思考宇宙和自身_风闻

旅行者1号以更高品质的数据帮助人类进一步研究木星系统与土星系统。它在长途漫游过程中拍摄下的地球的照片——“暗淡蓝点”——的意义超越了天文学范畴，成为人类对宇宙、地球与人类自身进行哲学思考的重要出发点之一。旅行者1号还是第一个离开太阳系的人造天体与至今为止距离地球最远的人造天体。它的成功也直接为此后的旅行者2号完成“行星壮游”的壮举打下了坚实的基础。

撰文 | 王善钦

作为“行星壮游”项目的探路者，先驱者10号与先驱者11号的成功，为人类打开了探测外行星（木星、土星、天王星与海王星）的两个天窗。然而，在这两个探测器被发射之前的1971年12月16日，NASA宣布：取消“行星壮游”项目。此时距离该项目被正式发起（1969年）才2年。

“行星壮游”项目被取消的原因在于经费。当时该项目的预算高达10亿美元，相当于现在的约50多亿美元。另一方面，从1965年开始，NASA获得的经费就逐年减少；阿波罗登月计划于1969年成功之后，同年上任的总统尼克松进一步削减NASA的年度经费。1971年，NASA只能在航天飞机项目和“行星壮游”项目中二选一。NASA选择了航天飞机项目。

旅行者号：“行星壮游”的浴火重生

“行星壮游”项目被取消，无疑是一个巨大的悲剧。

幸运的是，NASA的“外行星工作组”（Outer Planets Working Group）在1969年推荐“行星壮游”项目的同时，也推荐了一个备选方案：建立一个只探测木星与土星的项目，该项目的预算相对低得多。1971年，针对“行星壮游”项目最后一次讨论表决会上，专家组在通过该项目的同时，也强调了这个备选方案。NASA在最终决定取消“行星壮游”项目时，也给了备选方案高度评价。

这个备选方案为“行星壮游”项目赢得浴火重生的机会。1972年1月，喷气推进实验室（JPL）就开始转向该备选项目的准备；同年5月，NASA正式批准了这个备选项目，它就是“水手木星-土星”（Mariner Jupiter-Saturn，MJS）项目。

MJS项目将发射2个完全一样的探测器，其中第二个探测器作为第一个探测器的备件。MJS项目被提出时，JPL已经运营了探测水星、金星与火星的水手1号到9号，水手10号也即将被发射。MJS项目的两个探测器因此被分别命名为“水手11号”与“水手12号”。该项目的预算为3.6亿美元。

由于MJS项目的水手11号与水手12号探测的是外行星，与水手系列的其他探测器在探测目标上有较大差异，因此它们在1977年3月7日分别被改名为“旅行者1号” （Voyager 1）与“旅行者2号” （Voyager 2），从而不再属于水手系列，但依然由JPL的团队运营。

旅行者1的探测目标是木星、土星与土卫六，其轨道代号是“JST”，这3个字母分别是上述3个天体的英文首字母。

旅行者1号与旅行者2号的轨道示意图。旅行者1号沿着“JST”方向运动，旅行者2号沿着“JSX” 方向运动。X有两种可能，X=TB代表包括土卫六飞掠任务（针对旅行者1号失败的情况）；X=U代表包括天王星飞掠任务（针对旅行者1号成功的情况）。轨道上的时间刻度以0.5年为单位。丨图片来源：NASA；翻译：王善钦

结构与仪器

旅行者1号的质量为825.5千克，其中飞船自身质量为721.9千克。它有16个用于姿态控制的MR-103肼推进器、8个备用推进器、三轴稳定陀螺仪、天体坐标参考设备、无线电通信系统、能源系统、11个科学仪器、用于中途改变轨道的固体发动机与8个推进火箭发动机。

旅行者1号与2号的模型图丨图片来源：NASA/JPL

旅行者1号的无线电通信系统包括一个直径3.7米的抛物面高增益天线，接收地球上的3个深空网络站点（DSN）发送的信号指令，并向DSN发送得到的数据。

1976年7月9日，一名工程师与旅行者号尚未完工的高增益天线丨图片来源：NASA/JPL

旅行者1号上面还有一个数据存储器，即“数字磁带记录器（DTR）”，它可以保存64千字节的数据，这使它可以延时发送图像。作为对比，先驱者10号与11号上面没有DTR，拍摄的数据必须立即发送。

旅行者1号的电能由三个放射性同位素热电机（RTG）提供。每个RTG包含24个压缩钚-238氧化物球，因此也被称为钚核电池。在刚发射时，RTG产生的热可以制造出约470瓦特的电功率。由于放射性物质的衰变，RTG的功率会不断降低。

旅行者1号与2号中的放射性同位素热电机的一个单元丨图片来源：NASA/JPL

旅行者1号的科学仪器包括：成像科学系统（Imaging Science System）、射电科学系统（Radio Science System）、红外干涉光谱仪（Infrared Interferometer Spectrometer）、紫外光谱仪（Ultraviolet Spectrometer）、三轴磁通门磁强计（Triaxial Fluxgate Magnetometer）、等离子体光谱仪（Plasma Spectrometer）、低能带电粒子设备（Low Energy Charged Particle Instrument）、宇宙线系统（Cosmic Ray System）、行星射电天文调查（Planetary Radio Astronomy Investigation）系统、光偏振计系统（Photopolarimeter System）、等离子体波子系统（Plasma Wave Subsystem）。

旅行者1号与2号的结构图丨图片来源：NASA/JPL

在旅行者1号的仪器中，负责拍摄图像的是成像科学系统，它重达38.2千克，包含长焦窄视场相机与短焦宽视场相机，二者使用的望远镜的口径分别为17.7厘米与5.7厘米。两个相机上面的滤光片都覆盖了紫外到可见光的多个波段。通过这些滤光片，相机可拍摄出单色图像，并被天文学家合成为壮丽的彩图，其分辨率最高可达数千米每像素。

根据此前的计算，原定的“行星壮游”项目的飞船与后来作为替代者的旅行者1号及2号的发射时间窗都在1976-1980年之间。1977年9月5日，旅行者1号搭载大力神3号E-半人马（Titan IIIE-Centaur）火箭升空。此前16天（1977年8月20日），旅行者2号已经先搭载同款火箭升空。旅行者1号在发射前被多次推迟升空，导致了这个颠倒的次序。不过，在轨道动力学专家的设计下，旅行者1号将比旅行者2号更早穿过小行星带、造访木星与土星。

旅行者1号搭载火箭升空丨图片来源：NASA

1977年12月10日，旅行者1号进入小行星带。1977年12月19日，旅行者1号飞到旅行者2号的前面。1978年09月8日，旅行者1号离开小行星带。

飞掠木星系统

1979年1月6日，旅行者1号开始观测木星。

1979年2月25日，旅行者1号拍摄的木星包含大红斑的部分区域。此时旅行者1号距离木星920万千米。图像的分辨率达到160千米。丨图片来源：NASA/JPL

1979年1月6日至2月3日的28天时间内，旅行者1号持续拍摄多张木星照片。在此期间，旅行者1号从距离木星5800万千米飞行到距离木星3100万千米。后来，这些照片被拼接为一个电影。

旅行者1号1979年1月6日至2月3日之间的照片组成的电影，为了体现出同一面特征的变化，每隔10小时（木星的自转周期）拍摄的照片被选择来拼接出这个视频。在此期间，木星的大红斑的位置几乎不变，但高速自转，不同纬度的云层显示不同的移动特征。视频中出现的黑色点是木星卫星的投影，白色光点是木星卫星自身。丨视频来源：NASA/JPL

1979年2月10日，旅行者1号进入了木星系统。3月初，它发现了一个环绕木星的薄环，其厚度不到30千米。这是人类首次确认木星有环。1979年3月4日与5日，旅行者1号先后发现木卫十四与木卫十六。

旅行者1号拍摄的木星环丨图片来源：NASA/JPL

1979年3月5日12:05:26，旅行者1号到达木星近拱点，此时它距离木星云顶约28万千米。在飞掠木星前后，它拍摄了大量高品质图像，探测了木星的磁场、重力场、大气，等等。

由旅行者1号获得的木星大红斑的数据合成的大红斑伪色图丨图片来源：NASA/JPL

飞掠木星后，旅行者1号在同一天先后飞掠木卫一（距离2.057万千米）与木卫二（距离73.376万千米）。

1979年3月，旅行者1号拍摄的木星、木卫一（左）与木卫二（右）的合影。丨图片来源：NASA

相比先驱者10号与先驱者11号飞掠木卫一的距离（分别为35.7万千米与31.4万千米），旅行者1号与木卫一的距离（2.057万千米）小得多，因此得以观测到木卫一的大量细节。

由旅行者1号于1979年3月5日在45万千米处拍摄到的多张木卫一的图像合并而成的木卫一图像（左）与其中的佩尔（Pele）火山爆发后回落的物质形成的心形区域（右）。佩尔火山口附近是洛基（Loki）火山。心形区域中心的黑色裂缝为火山口，火山爆发后喷发出的物质下落后，形成了心形区域。丨图片来源：NASA/JPL

旅行者1号直接拍摄到木卫一上面火山的爆发现象。这是人类首次在地球之外的天体上面发现火山爆发。有趣的是，就在这个发现前不久，天文学家已经从根据理论计算预言木卫一存在火山活动。研究表明，木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体。它上面的火山喷发出的富含硫的物质落在它的表面，形成红色、橙色和黄色的表面。

旅行者1号于1979年3月4日拍摄的木卫一的部分区域（左）与旅行者1号于1979年3月5日拍摄的木卫一的部分区域（右）。当时，旅行者1号距离木卫一的距离分别为49万千米与12.85万千米。左图中显示出洛基火山喷发的场景，火山喷发出的物质被抛到160多千米高处。图片来源：NASA/JPL

尽管旅行者1号飞掠木卫二的距离超过先驱者10号与先驱者11号的距离（32.1/58.67万千米），但它依然凭借其高品质成像系统获得了更高清晰度的图像。它拍摄的图像表明木卫二表面有纵横交错的裂纹。当时的天文学家推断这些裂纹来自表层断裂或构造过程。

旅行者1号于1979年3月2日在286.9252万千米远处拍摄的木卫二。表面的深色线是木卫二表面的裂纹。丨图片来源：NASA/JPL

1979年3月6日，旅行者1号先后飞掠木卫三（距离11.471万千米）与木卫四（距离12.64万千米）。由于飞掠距离远小于先驱者10号与先驱者11号，它获得了木卫三与木卫四更高品质的图像。

旅行者1号于1979年3月5日拍摄的木卫三的局部（左）与旅行者1号于1979年3月6日拍摄的木卫四的局部（右）。拍照时，旅行者1号距离木卫三与木卫四的距离分别为24.6万千米与20万千米。丨图片来源：NASA/JPL

尽管旅行者1号观测木星的时间长达约3个月，但能够探测木星磁场与辐射的时间却只有到达其近拱点前后的48小时。对于木星环与卫星的细致观测的持续时间也仅有几天。在此期间，旅行者1号发现了木星的8颗卫星。

在几个月成像观测与几天的近距离观测过程中，旅行者1号得到了木星系统的大量数据，这些数据为行星科学家们进一步研究木星系统提供了重要的依据。

飞掠土星系统

1979年4月9日，旅行者1号完成轨道修正，飞向土星。为避免撞击到土卫六，它在1979年10月10日又进行了一次轨道修正。1980年8月22日，旅行者1号开始观测土星。

1980年11月12日，旅行者1号进入土星系统，并于同日飞掠土卫六，飞掠时与土卫六表面的最近距离仅3915千米，为先驱者11号飞掠土卫六时的距离（36.2962万千米）的1/90。

1980年11月12日，旅行者1号在43.5万千米距离处拍摄的土卫六。土卫六顶端是厚厚的雾。图片来源：NASA/JPL

旅行者1号光谱仪获得的数据表明，土卫六的大气含有甲烷、乙烷、其他多种有机化合物与大量的氮。然而，土卫六的大气中浓厚的有机物雾霾，使得旅行者1号得到的图像看上去还是没有特征。

根据旅行者1号无线电掩星数据，天文学家推断出土卫六的直径为5152千米，表面温度约为94 K，大气压力为1.47巴（1巴=10万帕斯卡，地球标准大气压为1.01325巴）。它的数据还表明土卫六拥有稠密的大气，其表面可能拥有液态物质。

1980年11月12日，旅行者1号飞掠土卫三（距离41.567万千米）。同日23:46:30，旅行者1号到达土星近拱点（距离中心天体引力中心最近的点），此时它距离土星云顶12.6万千米。

旅行者1号于1980年11月13日拍摄的土星环，当时它距离土星的距离为150万千米。图片来源：NASA/JPL

1980年11月13日，旅行者1号在同一天内先后飞掠土卫一（距离8.844万千米）、土卫二（距离20.204万千米）、土卫五（距离7.398万千米）与土卫七（距离88.044万千米）。

1980年11月12日，旅行者2号拍摄的土卫一（左，42.5万千米距离处）与土卫三（右，120万千米距离处）。在这些图中，土卫一右上方的赫歇尔陨石坑（Crater Herschel）、土卫三上面的伊萨卡大峡谷（Ithaca Chasma）都清晰可见。图片来源：NASA/JPL

1980年11月12日，旅行者2号拍摄的土卫四（左，24万千米距离处）与土卫五（右，7.3万千米距离处）。它们表面的众多陨石坑都清晰可见。丨图片来源：NASA/JPL

1980年11月14日，旅行者1号对土星系统的观测任务结束。在飞掠土星系统期间，旅行者1号观测了土星上层大气的化学构成、土星环的复杂结构、土星的极光、土卫六与其他几颗此前已被确认的卫星，还发现了土星的5颗新卫星与土星的G环。

旅行者1号于1980年11月16日拍摄的土星环，当时它距离土星的距离为530万千米。阳光照射土星形成的影子投在土星环上面。丨图片来源：NASA/JPL

旅行者1号近距离飞掠土卫六时，土卫六的引力使它此后从土星南极掠过，并飞离黄道面（地球公转的轨道面为黄道面，太阳系内的其他行星围绕太阳公转的轨道面与黄道面基本共面），再飞离太阳系。

太阳系的全家福与“暗淡蓝点”

1990年2月14日，在空旷的太阳系漂移了12年多的旅行者1号距离地球约60亿千米。此时它在黄道面上方32度，适合拍摄太阳系内的几大行星。旅行者号团队下达指令，让它对准太阳方向，拍摄了60张图，拼成了太阳系的全家福。为了避免被阳光过度曝光，每张照片的曝光时间仅为0.005秒。

这张全家福显示了太阳系内木星、地球、金星、土星、天王星与海王星。水星因为太靠近太阳而无法被识别出来。火星当时的位置使其在旅行者1号的视角上只是一轮新月状天体，因此也无法被识别出来。