[科普中国]-先驱者号探测器

先驱者10号

先驱者10、11号最为引人注目，它们是人类派往外行星访问的第一批使者。先驱者10号于1972年3月2日先踏上征途，经过1年零9个月的长途跋涉后，穿过危险的小行星带，闯过木星周围的强辐射区，与1973年12月3日与木星相会。它飞临木星时，沿木星赤道平面从木星右侧绕过，在距木星13万公里的地方穿过木星云层，拍摄了第一张木星照片，并进行了十多项实验和测量，向地球发回第一批木星资料，为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大的引力加速下，直向太阳系边疆飞去。于1989年5月24日飞越过冥王星轨道， 带着给外星人的“礼品” —— “地球名片”，向银河系漫游而去，它是迄今为止人类发射的空间考察器中飞行时间最长和距离地球最遥远的星际探测器。

发射“先驱者10号2”太空探测器于1972年发射,是人类向太阳系以外送去的第一个人造物体｡在成功发射之后,“先驱者10号”以每小时5万公里的速度飞行,用不到一天的时间接近月球,用11个星期接近火星,用不到两年的时间接近木星｡

功臣“先驱者102”号曾经是人类发射的空间考察器中飞行时间最长和距离地球最遥远的星际探测器。

负责监控这一宇宙探测器的美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家最近介绍说，“先驱者10”号现在相距地球96.6亿千米，以飞行时速接近4.8万千米的速度飞离太阳系。它发出的无线电信号飞行九个小时才能到达地面，它携带的11台微型热核发电机目前仅有1台在工作，传回地面的信号已极其微弱，地面上巨大的射电望远镜在来自宇宙各种嘈杂的声音中勉勉强强地可分辨出探测器发回的信号3。考虑到巨大的花费和发回的科学数据越来越少，艾姆斯研究中心决定于3月31日中断与“先驱者10”号的一切联系。

2003年2月26日,美国宇航局发言人宣布,美国的航天科学家们已经无法再收到“先驱者10号”太空探测器发回的信号,并将放弃所有的努力｡这标志着这个31年前发射升空飞离太阳系的飞船最终告别了人类,同时也是继哥伦比亚空中解体失事之后又一次重大损失｡

这个探测器曾首次发回详细的木星和土星照片,并且在太阳系边缘的有利位置发回了重要的太阳风和宇宙辐射测量数据｡

“先驱者10号”现在距离地球120亿公里左右的地方,美国宇航局的科学家已经有一个月没有得到它的信号了｡科学家们说,由于能量几乎耗尽,因此“先驱者10号”的能量已经不足以允许它再发回任何信号,科学家已经不再指望和它取得任何联系,至此它的使命彻底完成｡

“先驱者10号”现在将在寂静中继续进行着它的漫长太空旅程,可能前往金牛座｡如果一切顺利,它将在大约200万年后抵达那里｡如果其他的智慧生命截获这个来自地球的使者,他们将会得到“先驱者”10号”携带的一张金牌——上面描绘了人类的外貌特征,并且标出了地球和太阳系在宇宙群星中的准确位置｡

评价事实上,“先驱者10号”远远超出了科学家最初对它的期望,科学家本期望它能完成21个月的太空探测任务,而它竟然为科学家服务了30年｡

NASA太阳系开发部主任科林·哈特曼教授道:“‘先驱者10号’是人类历史上最具有历史意义和科学意义的太空探测飞船,当它穿过火星上空进入更远的太空后,它就进入了人类从来没有探索过的地方了——如今我们只能祝愿它一帆风顺｡”

先驱者11号发射探测器在1973年4月6日，位于佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射。

探测木星探测器于1974年12月4日最接近木星，离木星最高云层34,000公里以内。 借着木星的强大引力，探测器改变轨道朝向土星。

探测土星探测器于1979年9月1日最接近土星，离土星最高云层21,000公里以内。

（当时旅行者1号及旅行者2号已经过木星，同时已经朝向土星进发）先驱者11号被设定会飞过土星的光环，其轨道将会与即将到达的旅行者一样，用以测试旅行者探测器的轨道。因为先驱者11号可以测试该区域，是否尚有暗淡光环会损毁探测器。所以先驱者11号正如其名一样，是一名“先驱者”。要是真的探测到有危险存在的话，旅行者探测器将会更改轨道以离开那些光环，但将会失去拜访天王星及海王星的机会。

其实探测器甫在发射后就使用备用的发射天线。探测器在1985年二月因电池提供的电力开始下降，而开始需要与其他仪器共用电力。最终，基于放射性同位素热电产生器所提供的能源不足以再进行任何实验后，探测器的运作及遥测数据于1995年9月30日终止传送。在终止运作之前，探测器当时正处于离开太阳约44.7天文单位的距离，与太阳赤道面形成17.4度的倾斜角，并正以每年2.5天文单位（每秒12公里）的速度飞行。

结构全长2.9米，设有一条直径2.74米的高增益天线，在其之前再装上一条中增益天线。 至于另外一条全方位低增益天线则装设于高增益天线接收器之下。探测器以两块放射性同位素热电产生器（RTG）作为能源，在拜访木星时仍能产生144瓦特，但到达土星时只能产生100瓦特的功率。

设备探测器上还设有三个感应器：恒星（老人星）感应器及两个太阳感应器，藉以根据相对于地球及太阳的位置，及以老人星的位置作后备，用以计算探测器的位置。先驱者11号的恒星感应器及起点设定，是按先驱者10号的经验而被重新修改的。探测器上的三对火箭推进器，负责控制转轴（4.8rpm）及为探制器提供动力。三对火箭推进器都可以按指令持续燃点，或暂停燃点亦可。

在探测器上的仪器负责研究星际间及行星的磁场太阳风、宇宙射线、太阳圈的转变区域、大量存在的中性氢；星尘粒子的分布、大小、质量、通量及速度；外太阳系行星极光、电波、其卫星的大气层；以及木星与土星及其卫星的表面等等。

以上的研究主要由探测器上的磁力计、等离子分析器（太阳风专用）、粒子传感器、离子传感器、一具可以重叠不同视点来探测由经过的陨石折射而来的阳光的非影像望远镜、一些已密封并加压的氩气及氮气用以计算陨石的渗透、测紫外光计、测红外光计、及一具影像光偏计用以拍摄照片及计算光偏振等等。至于进一步的数据则从天体力学及掩星法现象去计算出来。

不明引力阻止据美国太空网报道，美国宇航局分别于1972年和1973年发射了先驱者10号和先驱者11号探测器，现在他们距离地球已有数十亿英里远。在这两颗探测器远离太阳系时，科学家发现有一股奇怪的力量在将这两艘太空船往回拽。

不明力量使先驱者号运行速度减慢4

这种无法解释的力量被称为“先驱者号异常”，似乎一直在影响美国宇航局发射的先驱者10号和先驱者11号飞船的运行。在飞船远离太阳系的时候这种神奇的力量使得它们的运行速度减慢。这种力量是否源于探测器自身？它是否来自一些暗物质？还是一些物理学或万有引力新规律在起作用？像这些的问题科学家仍旧不能给出答案。

然而对先驱者10号和先驱者11号跨度长达数十年的空间数据重新处理分析并对一些遥感数据认真研究后，科学家或许能够找到上述问题的答案。经过国际研究小组对这些新数据进行大约一年的分析，这种神奇力量的来源也许真的会水落石出。

先驱者10号和先驱者11号宇宙探测器分别于1972年和1973年发射，现在距离地球已有数十亿英里远。在2月6日，先驱者10号距离太阳已经有大约92.12天文单位，并开始向金牛星座进发。1天文单位与太阳和地球的距离相等，大约有9300万英里(1亿5000万公里)。

在探测器离地球越来越远时，研究人员首先注意到了这个异常现象，因为他们观察到来自探测器的微波振幅出现了跳跃变化。在每个探测器的多普勒频波中研究人员都发现了未曾料到的振幅变化，而这种飞船的多普勒频波一向都比较稳定，它最终可能在漫无边际的太空旅行中摆脱地面人员的监控。

多普勒效应就是波长增加或减少这样的变化，例如在救护车从靠近到从你身边疾驰而过再到远离你而去这个过程中它所发出声音的音调和声波就一直在发生变化。约翰·安德森这位已退休的美宇航局喷气式推进实验室的研究人员首先发现了先驱者号异常现象，他说：“我们有一种多普勒效应的模拟模型，这个模型可以对所有的外空间天体做实时监测，只有模型不工作时这种监测才会消失，我们让这种模型能够对天体监测，所要做的就是让探测器飞向太阳时给它一个稳定的加速度。”

运行轨道背离“万有引力”算出的轨道

先驱者号异常现象的模型结果不同于一般天体观察现象的是：先驱者10号和先驱者11号每个探测器和太阳的距离都要比按照传统万有引力定律计算出来的距离要小，两个距离大约相差24万英里(40万公里)。牛顿认为万有引力随着物体之间距离的增加而缩小，而先驱者号探测器在加速冲出太阳系时则达到了每小时大约30,000英里(48280公里)的速度。

斯拉瓦·图里谢夫是美国宇航局喷气推进实验室的天文物理学家，他最近14年来几乎把所有的时间都用在了研究先驱者号异常现象上。图里谢夫说：“先驱者号探测飞船可以说对牛顿物理定律做了最大规模的检验，这也是人类一直想要做的，然而实验却失败了。如果我们将来能够的确在传统物理学规律中找到可以解释先驱者号异常现象发生的原因，那么这将在物理学上具有重大的意义。”

图里谢夫努力在先驱者异常现象的起因认定方面保持客观态度，他表示，找到造成这种现象发生的物理学原因不仅可以证实牛顿定律的正确性，而且还可以使航天工程人员在设计未来飞船中把先驱者号异常现象考虑在内从而让飞船更加稳定的飞行。

研究人员想要确定先驱者号探测器的电路或者两个原子能发电机是否放射出了红外线光子，然后这些光子又是否迅速的打到了航天器像碟子那样的天线上进而引起了反冲作用，图里谢夫认为这个过程就像阳光打到太阳能帆板上一样。盖里·金赛拉是美国宇航局喷气推进实验室的飞船热能工程和飞船设计的总监，他称对先驱者10号宇宙飞船包括原子能发电机在内的各种热源放射热量的分析和模拟后，研究人员发现探测器自身原因造成先驱者异常现象发生的可能性在55%至75%之间。

遥感数据有望揭开先驱者号飞行异常之谜

在研究人员对先驱者号异常现象进行初步分析后，他们把目标转向了先驱者10号探测器长达11.5年的空间观测遥感数据上，尽管先驱者11号只有大约4年的服役寿命。在由星际协会赞助发起的详细研究过后，图里谢夫和他的研究小组不仅得到了先驱者10号大约30年的遥感数据和先驱者11号20年的数据集，还整理获得了先驱者10和先驱者11号飞船完整详尽的遥感数据。

这些数据中的很多被存储在了400盒磁带中，它们完好的保存在宇航局喷气推进实验室中。总的说来，所收集的先驱者10号和先驱者11号宇宙飞船的数据有将近800亿字节，大约相当于数字高清有线电视半小时内播放的电视节目占用的数据字节。把有9磁道的磁带数据转换成现代的数据存储形式并把一些人工添加的数据和其他坏掉的数据筛除掉对于先驱者号异常现象的研究人员来说非常耗时。但是图里谢夫对此却非常自信，一旦这些数据处理任务完成，那么先驱者号异常现象背后的秘密就可以发现。

先驱者号的意义木星内部密度分布可从它的引力场的情况反映出来，而根据对“先驱者”10号和11号运行轨道的分析可以得知木星引力场的状况。科学家根据“先驱者号”的观测资料还建立了木星的内部模型。同过去流行的观念大相径庭，这个模型表明木星没有固体表面而是一个流体行星，但它既同行星磁场和行星引力场的现有知识相符，也同高温高压下实验室研究的氢性质外推结果一致。这个模型认为木星的主要成分是氢和氦，其比例类似太阳大气。而在木星中心则有一个主要由铁和硅构成的固体核,那里的温度可达30,000K。这个核心称木星核。核的外面是以氢为主要元素组成的厚层，称为木星幔。它又可分为两层。第一层中估计压力为 300万个大气压，温度为11,000K，氢处于液态金属氢状态,其中分子离解为独立的原子，形成导电的流体。这一层从核向外延伸到46,000公里处。第二层延伸到70,000公里处，被认为是由液态分子氢构成。大气在这层之上再延伸1,000公里，直到云顶。

木星具有比地球更大更强的磁场和辐射带，在“先驱者号”探测器进行探测前，我们唯一的情报是来自被辐射带俘获的带电粒子所发出的无线电波。当然，地面观测得到的知识是相当有限的。只有在“先驱者号”直接测量木星磁场与高能粒子后，才使木星磁层的图景明晰起来。木星磁层可分三个区域。内区（离木星20个木星半径以内）是偶极场，具有和地球辐射带很相似的强辐射带。中介区（从20个木星半径到60个木星半径）的磁力线被离心力以及可能从木星大气层顶部出来的等离子体流所歪曲。整个内区和中介区都按木星大约10小时的自转周期转动。外区（从60个木星半径到90个木星半径）的磁场已相当弱，到磁层边界处趋于零。空间探测表明，除掉很靠近木星表面的部分以外，木星磁场是偶极场，但是场的方向正好与地磁场相反。这就是说，地球上指北的罗盘搬到木星上将指向南方。木星磁轴与自转轴之间的交角大约是10度8。在离开木星表面2～3个木星半径处，场强是0.16高斯。根据“先驱者”11号的探测指出,在离木星3个木星半径以内的磁场是四极的和八极的,而场强为3～11高斯。这种复杂的场结构可能是由木星内部的复杂环流引起的。

美国媒体近日透露，美国宇航局分别于1972年和1973年发射了“先驱者10”号和“先驱者11”号探测器，现在两个探测器距离地球已有上百亿公里远。就在这两个探测器即将飞出太阳系时，科学家发现有一股奇怪的力量在将探测器往回拽，这种无法解释的神秘力量目前被称为“先驱者号异常”。

据悉，在探测器远离太阳系的时候，这股神奇的力量就会使它们的运行速度减慢。这种力量是来自一些暗物质还是由于一些物理学或万有引力新规律在起作用，这些问题科学家目前仍旧不能给出答案。

在探测器离地球越来越远时，研究人员注意到了这个异常现象，另外他们观察到来自探测器的微波振幅出现了跳跃变化。在两个探测器的多普勒频波中，研究人员都发现了没有预料到的振幅变化，而探测器的多普勒频波一向比较稳定，虽然它最终可能在无边无际的太空中摆脱地面人员的监控。

然而对“先驱者10”号和“先驱者11”号长达数十年的空间数据进行重新处理分析并认真研究一些遥感数据后，科学家或许能够找到上述问题的答案。据悉，在美国宇航局国际研究小组对这些数据进行大约一年的分析后，神奇力量的来源也许会水落石出。

约翰·安德森是位退休的美国宇航局喷气推进实验室研究人员，他首先发现了探测器遭遇的异常现象。他说：“我们有一种多普勒效应的模拟模型，这个模型可以对天体做实时监测，只有模型不工作时这种监测才会停止。利用这种模型对天体进行研究，我们需要做的就是利用探测器发回来的数据，并在探测器飞出太阳系时给它一个稳定的加速度。”

斯拉瓦·图里谢夫是美国宇航局的天文物理学家，他最近14年来几乎把所有时间都用在了研究两个探测器遭遇到的异常现象上。图里谢夫说：“探测器的飞行过程可以说是个对牛顿物理定律不断进行检验的过程，这也是人类一直想要做的。如果我们将来能够在传统物理学规律中找到可以解释这些异常现象的方法，那么这将在物理学上具有重大的意义。”

另外，他说这可以使航天工程人员以后在设计飞船时把探测器遭遇的异常现象考虑在内，从而让未来飞船的性能更加稳定。

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