旅行者1号为何了不起？她拍下的这张照片，让人类重新思考宇宙和自身
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 Pl.NETs 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。
1990年2月14日，旅行者1号拍摄的太阳系全家福。从左到右依次是：木星（JUPITER）、地球（EARTH）、金星（VENUS）、土星（SATURN）、天王星（URANUS）与海王星（NEPTUNE）。丨图片来源：NASA/JPL
这套全家福中，最著名的是地球的图像。在地球的照片中，地球只是一个0.12像素的微小亮点，它几乎被相机反射阳光后形成的彩色光带淹没。
1990年2月14日，旅行者1号拍摄的地球图像，图中最右边的明亮浅红色光带中的那个显得苍白的点就是我们的地球。图片来源：NASA/JPL
这张照片引起了著名天文学家、天体生物学家、科普作家与科幻小说作家卡尔·萨根（Carl Sagan，1934-1996）的深思。他将图中的地球称为“暗淡蓝点”（Pale Blue Dot），并在1994年出版了《暗淡蓝点：展望人类的太空家园》（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space）一书。
在这本书中，萨根动情地说：“再想想那个点。那是这里，那是家园，那是我们。在这个点上，每一个你爱的人，每一个你认识的人，每一个你曾经听说过的人，每一个人，无论是谁，都在此度过一生。”“有人说，天文学令人谦卑、塑造性格。可能没有什么能比我们微小世界的这张遥远的照片更能显示人类的自负是多么愚蠢。对我而言，这张照片强调了我们的责任：更友好地对待彼此，保护和珍爱这颗暗淡蓝点——我们目前所知的唯一家园。”[注1]
旅行者1号拍摄的这张图与萨根写的这本书的联姻，使地球获得了“暗淡蓝点”这个别名。这个名称迅速流传并破圈，成为人类思考地球与宇宙的最重要的切入点之一。
飞出太阳系的边疆
在结束对外行星系统的探测任务之后，天文学家于1989年为旅行者号启动“旅行者号星际任务”（VIM）。当时，旅行者1号距离地球40天文单位（1天文单位1.496亿千米）。
VIM主要探测太阳风有关的现象。VIM被分为三个阶段，分别是：探测终端激波（Termination Shock）、探测日球层鞘（HelIOSheath）、探测星际空间。
日球层（heliosphere）是太阳发出的太阳风在太阳周围形成的一个巨大的泡（下图中浅灰色区域），它与星际空间的边界是日球层顶（Heliopause），太阳风粒子止步于此。太阳风吹到接近日球层顶的区域，就会与星际介质接触，受到星际介质的阻碍作用，形成终端激波，这个区域被称为“终端激波区”。
在太阳运动方向一端，终端激波区与日球层顶之间的区域的形状像刀鞘或剑鞘，因此被称为“日球层鞘”。
日球层、终端激波、日球层鞘、日球层顶、弓形激波的示意图。丨图片来源：NASA/Goddard/Walt Feimer；翻译：王善钦
因此，朝着远离太阳的方向，由内向外依次是终端激波区、日球层鞘与日球层顶。日球层顶冲击星际介质，形成弓形激波（Bow shock）。按照一些天文学家的定义，日球层顶之外就是星际空间。
1998年2月17日，旅行者1号超越先驱者10号，此时它距离地球约69.419天文单位（约104.1亿千米）。此后至今，它一直是距离太阳最远的航天器。
2004年12月17日，旅行者1号通过终端激波区，进入日球层鞘。2012年6月，天文学家发现旅行者1号接收到的来自星际空间的高能粒子数目急剧增加，因此判断它即将穿过日球层顶。
2012年8月25日，旅行者1号于穿过日球层顶，此时它距地球121天文单位（约181.5亿千米）。按照一些天文学家的定义，旅行者1号在这一天成为有史以来第一个进入星际空间的宇宙飞船。[注2]
为庆祝旅行者1号到达星际空间，天文学家于2013年2月21日用甚长基线阵（VLBA）拍摄了旅行者1号的射电图像。
2013年2月21日，甚长基线阵（VLBA）拍摄到的旅行者1号的射电照片。图片来源：NRAO/AUI/NSF
截至2023年2月18日，旅行者1号与太阳的距离为159.1天文单位（约238.01亿千米）[注3]。现在，它相对太阳的速度达到17千米每秒（每年3.57天文单位），远超过所在地的第三宇宙速度（摆脱太阳引力从而脱离太阳系的速度），因此会一直远离太阳，并将在此后继续向银河系中心前进。它还可以飞出银河系，在银河系外的宇宙中漫游。
发给外星人的金唱片
为了能够让可能存在的外星人有机会了解地球，天文学家在旅行者1号与2号上面都放置了一个镀金铜盘，其直径为12英寸（30厘米），上面记录了地球的位置与人类的信息。这两个镀金铜盘就是著名的“金唱片”。
旅行者1号上面的金唱片丨图片来源：NASA/JPL
金唱片上面包括55种语言的问候语（包括中国的普通话、粤语、闽南语、吴语）、35种地球生命的声音、90分钟的“地球之声”（包括鲸鱼的声音、婴儿的哭声、海浪拍打海岸的声音以及地球27首世界名曲，其中有中国古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》等）；115张照片（包括人类的数学、物理、太阳系及其内部的行星、地球上动物、植物、DNA、人类解剖和繁殖、地球上部分区域的地形与风景、食物、建筑、人类日常生活等）以及当时的一些政治家的问候录音。
金唱片上面的信息的含义丨图片来源：NASA/JPL
唱片封面的左下角表示太阳系与15条线与右下角的哑铃状图形与先驱者10号与11号的铭牌相同，其意义已在介绍先驱者10号的文章（《探索太阳系边疆的先驱：先驱者10号丨行星壮游》）中介绍，此处不再重复介绍。
唱片封面的左上角是留声机唱片的图纸和唱针。围绕它的二进制符号表示唱片旋转一圈的时间，据此可算出唱片旋转一圈的时间为3.6秒。大圆圈下方是唱片和唱针的侧视图，里面说明播完唱片需要约1小时。
唱片封面的右上角显示了图像信号的波形、扫描时间（8毫秒）的二进制符号与构成图像的直线的绘制方法。最下方表示，如果解码正确，这张图就是一个圆。
辉煌成就与巨大牺牲
虽然旅行者1号并不是第一个近距离探测木星系统与土星系统的探测器，但却得到比先驱者10号与11号更好的这两个系统成员的图像。此外，它发现了木卫一的火山爆发、发现了木星的环、发现了木星的8颗新卫星、近距离飞掠了土卫六、发现土星的G环、发现了土星的5颗新卫星，等等。它对木星系统与土星系统的观测进一步深化了人类对这两个气态巨行星、它们的卫星与环的物理、化学甚至生物学性质的认识。
旅行者1号拍摄的木星（右上）、木卫一（左上）、木卫二（中间）、木卫三（左下）与木卫四（右下）的“全家福”。这些图并不是同一张照片拍摄，而是由多个照片组合而成。图中它们的大小并不按比例。丨图片来源：NASA
旅行者1号在长途漫游过程中拍下的地球照片（“暗淡蓝点”）的意义超越了天文学范畴：在萨根富有感染力的表述广为传播之后，这张“暗淡蓝点”的图像成为人类对宇宙、地球与人类自身进行哲学思考的重要出发点之一，使人们对地球的渺小、孤单、脆弱与珍贵有了直接认识，也使人类对宇宙的浩瀚无疆有了直观体会。
此外，旅行者1号还是第一个离开太阳系的人造天体。它也是至今为止距离地球最远的人造天体。由于它的巨大速度，当前已经升空的其他所有人造天体都无法打破它在距离方面的记录。
尽管旅行者1号获得了众多杰出的成就，但它也付出了自己的代价。由于它近距离探测土卫六，它的轨道在土卫六的引力作用下发生明显改变，从而无法在飞掠土星后前往天王星与海王星。这是一开始就被制定好的计划。
当时旅行者号团队甚至还定下计划：如果旅行者1号探测土卫六失败，就让旅行者2号重复旅行者1号的任务。我们要庆幸旅行者1号成功完成了土卫六的探测计划，使旅行者2号可以在此后实现探测天王星与海王星的任务，从而基本实现了此前雄心勃勃的“行星壮游”计划。或者说，旅行者2号的能够完成“行星壮游”的壮举，要感旅行者1号的牺牲与成全。
注释
[注1]原文：“Consider again that dot. That's here, that's home, that's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. ”“It has been said that astronomy is a humbling and character-building experience. There is perhaps no better demonstration of the folly of human conceits than this distant image of our tiny world. To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another, and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we've ever known.”对其他段落感兴趣的读者可以进入以下链接：
https://www.goodreads.com/quotes/337712-from-this-distant-vantage-point-the-earth-might-not-seem。
[注2]天文学家对星际空间的边界存在争议。有些天文学家认为日球层顶不是太阳系与星际空间的分界线。这是因为，天文学家认为在更远的地方还有大量小天体围绕太阳公转，它们构成的一片区域被称为“奥尔特云”（Oort cloud）。如果以奥尔特云的外边缘作为太阳系的边疆，那旅行者1号还需要飞行近3万年才能离开太阳系的边界、进入星际空间。
[注3]旅行者1号（与旅行者2号）的距离与其他信息的实时更新见：
https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/
出品：科普中国
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