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飛向木星北極與土星:先驅(qū)者 11 號(hào)

返樸 2023/1/28 19:24:11 責(zé)編:夢(mèng)澤

本文來(lái)自微信公眾號(hào):返樸 (ID:fanpu2019),作者:王善欽

先驅(qū)者 11 號(hào)是第一個(gè)近距離探測(cè)土星的探測(cè)器,也是第一個(gè)成功觀測(cè)木星南北極的探測(cè)器。它上承先驅(qū)者 10 號(hào),下啟旅行者 2 號(hào)。它的成功使人類探索“外行星”(木星、土星、天王星與海王星)的腳步又大大地向前邁了一步,也為此后執(zhí)行任務(wù)的一些外行星探測(cè)器積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。特別是,它為旅行者 2 號(hào)檢查了預(yù)定路線的安全性,為后者成功探測(cè)天王星與海王星鋪平了道路,從而為人類實(shí)現(xiàn)“行星壯游”的壯舉起到不可替代的重要作用。

先驅(qū)者 10 號(hào)(Pioneer 10)的成功不僅實(shí)現(xiàn)了人類近距離探測(cè)木星的夢(mèng)想,大大增強(qiáng)了人類對(duì)外行星探測(cè)的信心,也使它的姐妹探測(cè)器 —— 先驅(qū)者 11 號(hào)(Pioneer 11)—— 從備件模式切換到獨(dú)立探測(cè)器模式。

NASA 的艾姆斯(Ames)研究中心(ARC)的先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)正式啟動(dòng)先驅(qū)者 11 號(hào)探測(cè)土星的計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃的具體步驟是:先驅(qū)者 11 號(hào)先探訪木星,然后借助木星的引力彈弓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加速、變軌,再直奔土星,實(shí)現(xiàn)土星探測(cè)的破冰之旅。

大同小異:先驅(qū)者 11 號(hào)的結(jié)構(gòu)

先驅(qū)者 11 號(hào)與先驅(qū)者 10 號(hào)的結(jié)構(gòu)完全一樣,都有提供電能的核電池、維持通信與用以傳輸數(shù)據(jù)的天線系統(tǒng)、用于探測(cè)的重要儀器與用于定位導(dǎo)航的系統(tǒng)。

先驅(qū)者 11 號(hào)攜帶的儀器與先驅(qū)者 10 號(hào)基本相同(如下圖)[1] 但是,先驅(qū)者 11 號(hào)比先驅(qū)者 10 號(hào)多一個(gè)儀器:磁通門磁強(qiáng)計(jì)(Fluxgate Magnetometer)。增加的這個(gè)儀器使它比先驅(qū)者 10 號(hào)重 0.5 千克,因此它的總質(zhì)量為 258.5 千克。

先驅(qū)者 11 號(hào)(也是先驅(qū)者 10 號(hào))的結(jié)構(gòu)圖。主天線(高增益天線)中間未被標(biāo)注的是中增益天線。圖片來(lái)源:NASA,Vectors by Mysid;圖片文字翻譯:王善欽

此外,由于發(fā)射時(shí)間晚了一年多,先驅(qū)者 11 號(hào)上面的儀器 —— 特別是探測(cè)磁場(chǎng)與輻射的相關(guān)儀器 —— 得到一定程度的改進(jìn)。先驅(qū)者 11 號(hào)的推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、核電池系統(tǒng)也與先驅(qū)者 10 號(hào)的完全相同。

1973 年 4 月 6 日 02:11:00(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí),下同),先驅(qū)者 11 號(hào)搭載擎天神-半人馬(Atlas-Centaur)火箭升空。將它送上天的火箭搭配固體發(fā)動(dòng)機(jī),以讓探測(cè)器獲得更高的速度。此時(shí),大約 13 個(gè)月前升空的先驅(qū)者 10 號(hào)已經(jīng)離開(kāi)小行星帶,正在前往木星的路上,但尚未開(kāi)始探測(cè)木星。

先驅(qū)者 11 號(hào)搭載火箭升空。圖片來(lái)源:NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC)

1974 年 3 月中旬,先驅(qū)者 11 號(hào)安全穿過(guò)了小行星帶。1973 年 4 月 11 日,先驅(qū)者 11 號(hào)進(jìn)行了一次軌道修正。

一次關(guān)鍵的變軌

1974 年 1 月 1 日,先驅(qū)者 10 號(hào)成功結(jié)束了木星探測(cè)任務(wù)。先驅(qū)者 11 號(hào)不再作為先驅(qū)者 10 號(hào)的備件,轉(zhuǎn)而執(zhí)行探測(cè)土星的方案。但它依然要先飛掠木星,從而借助木星引力彈弓效應(yīng)變軌并加速。

在確認(rèn)先驅(qū)者 10 號(hào)大獲成功之后,旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)希望先驅(qū)者 11 號(hào)能以更近的距離靠近木星,為將來(lái)旅行者號(hào)飛掠木星探路。

更近的路線意味著更大的風(fēng)險(xiǎn),因此先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)中的部分成員反對(duì)這個(gè)建議。但在權(quán)衡利弊后,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)最終還是同意了這個(gè)建議,畢竟更近距離不僅意味著風(fēng)險(xiǎn),也意味著巨大的收益:可以獲得木星的高清圖像。

1974 年 4 月 26 日,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)發(fā)出指令,修正先驅(qū)者 11 號(hào)的軌道,從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)。

首先,先驅(qū)者 11 號(hào)將比先驅(qū)者 10 號(hào)更接近木星,可以進(jìn)行更高清晰度的觀測(cè)。

其次,先驅(qū)者 11 號(hào)的軌道面與木星赤道面將有 52 度的夾角。這帶來(lái)了兩個(gè)好處:(1)它在進(jìn)入木星系統(tǒng)時(shí)可以觀測(cè)木星的南北極區(qū)域。(2)它可以盡量減少先驅(qū)者 11 號(hào)受到的木星輻射劑量 —— 此前先驅(qū)者 10 號(hào)的探測(cè)表明木星的磁場(chǎng)是圍繞木星赤道面的環(huán)向磁場(chǎng),沿著這樣的軌道飛行,可以盡量縮短木星磁場(chǎng)與輻射影響儀器的持續(xù)時(shí)間。

第三,修正后的軌道將以逆行的方式飛掠木星,即它前進(jìn)路線的方向與木星自轉(zhuǎn)的方向相反。這使它可以在短時(shí)間內(nèi)看到木星更多表面并更好地測(cè)量木星磁場(chǎng)。

探測(cè)木星系統(tǒng)

1974 年 11 月 7 日,先驅(qū)者 11 號(hào)進(jìn)行了一次變軌,開(kāi)始進(jìn)入木星系統(tǒng)。11 月 25 日 03:39,先驅(qū)者 11 號(hào)穿過(guò)木星的弓形激波。接下來(lái),先驅(qū)者 11 號(hào)開(kāi)始飛掠木星及其衛(wèi)星。

先驅(qū)者 11 號(hào)和先驅(qū)者 10 號(hào)飛掠木星系統(tǒng)(木星及其衛(wèi)星)的路線圖(木星系統(tǒng)軌道平面俯視圖)??梢钥闯觯闰?qū)者 11 號(hào)與先驅(qū)者 10 號(hào)繞木星路線的方向是相反的。圖片來(lái)源:https://www.nasa.gov/ feature / 45-years-ago-pioneer-11-explores-jupiter,圖片文字翻譯:王善欽

1974 年 12 月 2 日,先驅(qū)者 11 號(hào)先后飛掠木衛(wèi)四(距離 78.65 萬(wàn)千米)與木衛(wèi)三(距離 69.23 萬(wàn)千米);12 月 3 日,先驅(qū)者 11 號(hào)先后飛掠木衛(wèi)一(距離 31.4 萬(wàn)千米)與木衛(wèi)二(距離 58.67 萬(wàn)千米)。[2] 相比先驅(qū)者 10 號(hào),先驅(qū)者 11 號(hào)飛掠木星的四顆衛(wèi)星時(shí)的距離有近有遠(yuǎn)。

1974 年 12 月 2 日,先驅(qū)者 11 號(hào)在 75.6 萬(wàn)千米遠(yuǎn)處拍攝到半月形的木衛(wèi)一。圖片來(lái)源:NASA / Ames

1973 年與 1974 年,先驅(qū)者 10 號(hào)與先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的木星四顆“伽利略衛(wèi)星”的圖像,從左到右分別為木衛(wèi)一(Io)、木衛(wèi)二(Europa)、木衛(wèi)三(Ganymede)與木衛(wèi)四(Callisto)。其中木衛(wèi)一的圖像由先驅(qū)者 11 號(hào)獲得。圖片來(lái)源:https://history.nasa.gov/ SP-349 / p180.htm

1974 年 12 月 3 日 5:02,先驅(qū)者 11 號(hào)從木星后面(相對(duì)地球的視線)經(jīng)過(guò),19 分鐘后,先驅(qū)者 11 號(hào)到達(dá)木星近點(diǎn),此時(shí)它距離木星云頂 4.2828 萬(wàn)千米。作為對(duì)比,先驅(qū)者 10 號(hào)木星近點(diǎn)與木星云頂?shù)木嚯x是 13.2 萬(wàn)千米。因此,先驅(qū)者 11 號(hào)遠(yuǎn)比先驅(qū)者 10 號(hào)更靠近木星,僅為后者距離的 1/3,這使得它可以得到遠(yuǎn)比后者更清晰的木星圖像。

先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝到木星大紅斑的清晰圖像,當(dāng)時(shí)先驅(qū)者 11 號(hào)在木星南緯 31 度上空、距離木星 54.5 萬(wàn)千米。圖片來(lái)源:NASA

在達(dá)到木星近點(diǎn)前,先驅(qū)者 11 號(hào)的速度達(dá)到了 47.5 千米每秒,成為截至當(dāng)時(shí)為止最快的人造天體。

與先驅(qū)者 10 號(hào)一樣,先驅(qū)者 11 號(hào)上面沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備,它只能在獲得數(shù)據(jù)的同時(shí)立即發(fā)送數(shù)據(jù),所以,在它進(jìn)入木星后面時(shí),它拍攝的任何數(shù)據(jù)都無(wú)法被傳送到地球。

1974 年 12 月 3 日 5:44,先驅(qū)者 11 號(hào)從木星后面出來(lái),開(kāi)始重新發(fā)送獲得的數(shù)據(jù)。緊接著,它高速飛向木星北極區(qū)域上空。12 月 3 日 09:27,先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝到木星的北極區(qū)域,當(dāng)時(shí)它距離木星 43.5 萬(wàn)千米。這是人類第一次看到木星的極區(qū)。

在先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的木星北極區(qū)域的圖像中,清晰度達(dá)到 152 千米每像素。[3] 此前,天文學(xué)家猜測(cè)木星兩極區(qū)域的大氣比赤道區(qū)域的大氣更透明一些,觀測(cè)其南北極區(qū)域可以更深入地觀測(cè)大氣內(nèi)部。

先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的包括木星北極區(qū)域在內(nèi)的圖像。圖片來(lái)源:NASA

由于速度比先驅(qū)者 10 號(hào)更高,且軌道面與木星赤道面存在較大夾角,它在飛掠木星的過(guò)程中受到木星環(huán)形輻射帶的傷害小于先驅(qū)者 10 號(hào)受到的傷害。

1974 年 12 月 3 日,先驅(qū)者 11 號(hào)飛掠木衛(wèi)五(距離 12.75 萬(wàn)千米),確定了它的質(zhì)量。此前先驅(qū)者 10 號(hào)沒(méi)有飛掠它。

1975 年 1 月 1 日,先驅(qū)者 11 號(hào)停止對(duì)木星的探測(cè)。在探測(cè)木星系統(tǒng)期間,先驅(qū)者 11 號(hào)發(fā)回木星及其衛(wèi)星的幾百?gòu)堈掌?,?duì)木星進(jìn)行了紅外測(cè)量,并獲取了磁場(chǎng)與帶電粒子的數(shù)據(jù)。

飛向土星:爭(zhēng)論、妥協(xié)與犧牲

由于木星的巨大引力的作用,先驅(qū)者 11 號(hào)的軌道發(fā)生大角度的偏折。此后,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)發(fā)出指令,讓它在 1976 年 5 月 26 日和 1978 年 7 月 13 日先后實(shí)現(xiàn)兩次變軌,進(jìn)一步修正了它的軌道,使其飛向軌道另外一側(cè)的土星。

先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的運(yùn)行軌跡。它于 1973 年 4 月在地球上被發(fā)射升空,1974 年 12 月飛掠木星系統(tǒng),在木星引力作用下,軌道發(fā)生明顯變化,此后探測(cè)器自身噴發(fā)出推進(jìn)劑,實(shí)現(xiàn)變軌,飛向土星,并在 1979 年 9 月經(jīng)過(guò)飛掠土星系統(tǒng),然后離開(kāi)太陽(yáng)系。圖片來(lái)源:NASA;圖片文字翻譯:王善欽

當(dāng)時(shí),旅行者號(hào)項(xiàng)目已在此前被批準(zhǔn),相關(guān)的團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)成立并確定了此后的計(jì)劃:旅行者 1 號(hào)將繼續(xù)探測(cè)木星系統(tǒng)與土星系統(tǒng),以獲得更清晰的圖像;旅行者 2 號(hào)將執(zhí)行旅行者 1 號(hào)的任務(wù)(如果旅行者 1 號(hào)失?。?,或探測(cè)木星、土星、天王星與海王星(如果旅行者 1 號(hào)成功)。

旅行者 2 號(hào)飛向天王星的一個(gè)關(guān)鍵步驟是:通過(guò)土星的 A 環(huán),借助土星的引力彈弓效應(yīng)完成變軌與加速。為確保安全,旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)建議先驅(qū)者 11 號(hào)先經(jīng)過(guò)土星 A 環(huán),以確定 A 環(huán)中的顆粒是否會(huì)損害探測(cè)器。經(jīng)過(guò)討論,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)同意了這個(gè)方案。

然而,兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在探測(cè)器經(jīng)過(guò)土星 A 環(huán)之后的路線選擇方面卻出現(xiàn)了分歧:先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)想讓先驅(qū)者 11 號(hào)向土星內(nèi)環(huán)方向前進(jìn),直接探測(cè)土星內(nèi)環(huán),并確定此前還處于爭(zhēng)議狀態(tài)的 D 環(huán)是否存在。旅行者團(tuán)隊(duì)則要求先驅(qū)者 11 號(hào)朝土星外環(huán)方向前進(jìn),穿過(guò)土星的 E 環(huán),再離開(kāi)土星系統(tǒng),以確定將來(lái)旅行者 2 號(hào)的探測(cè)器通過(guò)這條路線時(shí)是否會(huì)受到土星外環(huán)粒子的傷害。

先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,如果先驅(qū)者 11 號(hào)走旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)給定的路線,它與土星的距離將會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn),得不到天文學(xué)家感興趣的更高清的觀測(cè),更無(wú)法直接探測(cè)土星內(nèi)環(huán)。旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)也堅(jiān)持自己的建議:如果先驅(qū)者 11 號(hào)不走這條路線,旅行者 2 號(hào)也不冒險(xiǎn)走這條路線,天王星和海王星的觀測(cè)也無(wú)從談起。

兩邊反復(fù)爭(zhēng)論,都無(wú)法說(shuō)服對(duì)方。事情鬧到了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)共同的上級(jí)部門 ——NASA 總部。NASA 總部同意了旅行者號(hào)團(tuán)隊(duì)的建議,因?yàn)檫@樣的路線雖然犧牲了對(duì)土星內(nèi)環(huán)的觀測(cè)以及對(duì)土星自身的更近距離觀測(cè),但為了能夠讓旅行者 2 號(hào)探測(cè)天王星與海王星,這個(gè)犧牲是值得的。

在 NASA 行星科學(xué)部門的負(fù)責(zé)人宣布這個(gè)決定時(shí),現(xiàn)場(chǎng)的先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)的成員發(fā)出一片噓聲,表示抗議。盡管如此,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)必須執(zhí)行 NASA 總部的決定。

飛掠土星系統(tǒng)

1979 年 7 月 31 日,先驅(qū)者 11 號(hào)開(kāi)始觀測(cè)土星。此時(shí),旅行者 1 號(hào)與旅行者 2 號(hào)也已先后結(jié)束對(duì)木星的探測(cè),正朝著土星飛來(lái)。

1979 年 8 月 26 日,先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的土星、土星環(huán)與土衛(wèi)五(土星右下的白點(diǎn))。圖片來(lái)源:NASA

1979 年 8 月 29 日,先驅(qū)者 11 號(hào)進(jìn)入土星系統(tǒng),先后飛掠土衛(wèi)八(距離 103.2535 萬(wàn)千米)與土衛(wèi)九(距離 1371.3574 萬(wàn)千米)。[2]

1979 年 8 月 31 日,先驅(qū)者 11 號(hào)飛掠土衛(wèi)七(距離 66.6153 萬(wàn)千米)。[2] 同日,它在距離土星 150 萬(wàn)千米處探測(cè)到了土星的弓形激波,從而首次用觀測(cè)證明土星存在磁場(chǎng)。[1]

1979 年 9 月 1 日,先驅(qū)者 11 號(hào)先后飛掠土衛(wèi)十一(距離 6676 千米)、土衛(wèi)十五(距離 4.596 萬(wàn)千米)、土衛(wèi)四(距離 29.1556 萬(wàn)千米)與土衛(wèi)一(距離 10.4263 萬(wàn)千米),[2] 并穿過(guò)土星外環(huán)之外的平面,接近 A 環(huán)。當(dāng)天 16:29:34,先驅(qū)者 11 號(hào)到達(dá)土星近點(diǎn),此時(shí)它距離土星云頂 2.0591 萬(wàn)千米,速度達(dá)到 31.7 千米每秒。

在接近與離開(kāi)土星的過(guò)程中,先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝了 440 張土星系統(tǒng)的照片,其中約 20 張的分辨率達(dá)到 90 千米每像素。[1] 在此期間,它還發(fā)現(xiàn)了土星的 F 環(huán)與兩顆新衛(wèi)星。

飛掠土星后,先驅(qū)者 11 號(hào)又在同一天先后飛掠土衛(wèi)十(距離 22.8988 萬(wàn)千米)、土衛(wèi)三(距離 32.9197 萬(wàn)千米)、土衛(wèi)二(距離 22.2027 萬(wàn)千米)、土衛(wèi)十四(距離 10.9916 萬(wàn)千米)與土衛(wèi)五(距離 34.5303 萬(wàn)千米)。[2]

1979 年 9 月 1 日,先驅(qū)者 11 號(hào)拍攝的土星與土星環(huán)的一部分。圖片來(lái)源:NASA

1979 年 9 月 2 日,先驅(qū)者 11 號(hào)飛掠土衛(wèi)六(距離 36.2962 萬(wàn)千米)。它拍攝的土衛(wèi)六照片的分辨率最高達(dá)到 179 千米每像素。這些圖像表明土衛(wèi)六是一個(gè)沒(méi)有表面大氣特征的橙黃色衛(wèi)星。根據(jù)不同波段的圖像,天文學(xué)家測(cè)出土衛(wèi)六的直徑為 5690 或 5760 千米。數(shù)據(jù)還表明,土衛(wèi)六云層頂端的溫度約為 75K(零下 198 攝氏度)。[4]

1979 年 9 月 2 日,先驅(qū)者 11 號(hào)在 36 萬(wàn)千米距離拍攝的土衛(wèi)六。圖片來(lái)源:NASA

在飛掠土星期間,先驅(qū)者 11 號(hào)的紅外輻射計(jì)測(cè)量土星上層大氣的紅外輻射,結(jié)合無(wú)線電掩星方法,確定了土星上層大氣的溫度、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。它的數(shù)據(jù)表明:土星的平均溫度約為零下 180 攝氏度,土星的主要成分是液態(tài)氫,因此不適合生命生存。[1]

然后,先驅(qū)者 11 號(hào)向土星 E 環(huán)方向飛馳,離開(kāi)土星。

1979 年 10 月 5 日,先驅(qū)者 11 號(hào)結(jié)束對(duì)土星系統(tǒng)的觀測(cè)。

飛離太陽(yáng)

在土星引力的影響下,先驅(qū)者 11 號(hào)的軌道發(fā)生偏折。此后它朝著銀河系中心方向飛離太陽(yáng)系,開(kāi)始執(zhí)行星際任務(wù)。需要注意到是,它飛離太陽(yáng)的方向與先驅(qū)者 10 號(hào)飛離的方向幾乎相反。

1995 年,先驅(qū)者 11 號(hào)無(wú)法再為它的儀器供電,NASA 決定關(guān)閉它。1995 年 11 月 24 日,人類與先驅(qū)者 11 號(hào)徹底失去聯(lián)系。

現(xiàn)在,先驅(qū)者 11 號(hào)距離太陽(yáng)約 111 天文單位(約 166 億千米)?,F(xiàn)在它相對(duì)太陽(yáng)的速度為 11.182 千米每秒,以每年 2.36 天文單位的速度朝著現(xiàn)在盾牌座的方向運(yùn)動(dòng)。[2] 它的速度也已超過(guò)第三宇宙速度,因此可以在將來(lái)脫離太陽(yáng)系。

先驅(qū)者 11 號(hào)也攜帶了一塊金屬牌,上面的符號(hào)與圖案與先驅(qū)者 10 號(hào)上面的那塊完全一樣。(詳情參見(jiàn)《探索太陽(yáng)系邊疆的先驅(qū):先驅(qū)者 10 號(hào)丨行星壯游》)由于先驅(qū)者 10 號(hào)只飛掠了木星,而先驅(qū)者 11 號(hào)還飛掠了土星,二者軌道不相同。因此,先驅(qū)者 11 號(hào)的牌子上的路線圖是不精確的。不過(guò)這是個(gè)小問(wèn)題。

2019 年,有人 [5] 用 Gaia 衛(wèi)星獲得的恒星位置與運(yùn)動(dòng)速度、方向的數(shù)據(jù)推斷出:約 92.83 萬(wàn)年后,先驅(qū)者 11 號(hào)將飛掠矮星 TYC 992-192-1,與它最近時(shí)的距離為 0.8 光年。這是它未來(lái) 257 萬(wàn)年內(nèi)能夠遇到的最近的恒星。

插曲:從備件到復(fù)制件的先驅(qū)者 H

1971 年,先驅(qū)者 10 號(hào)與 11 號(hào)尚未被發(fā)射,它們的編號(hào)還是先驅(qū)者 F 與先驅(qū)者 G。這一年,先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將來(lái)發(fā)射先驅(qū)者 H,作為先驅(qū)者 G(先驅(qū)者 11 號(hào))的備件。

按照計(jì)劃,先驅(qū)者 H 將在 1974 年被發(fā)射升空,1975 年 7 月飛掠木星,其軌道面與木星赤道面垂直,因此可以完全觀測(cè)木星的南北極。如果它成功升空,它將被改名為先驅(qū)者 12 號(hào)。

遺憾的是,在先驅(qū)者 H 被發(fā)射前,NASA 總部否決了這個(gè)方案。后來(lái),被拆下核電池的先驅(qū)者 H 被作為先驅(qū)者 10 號(hào)與 11 號(hào)的復(fù)制品放在博物館。

在博物館被吊著的先驅(qū)者 H,它被作為先驅(qū)者 10 號(hào)與先驅(qū)者 11 號(hào)的復(fù)制件。圖片來(lái)源:CamWow

“先驅(qū)者 12 號(hào)”的名稱被 1978 年 5 月 20 日升空的探測(cè)金星的“先驅(qū)者金星軌道器”(Pioneer Venus Orbiter)所使用,它也被稱為“先驅(qū)者金星 1 號(hào)”(Pioneer Venus 1)。

先驅(qū)者 11 號(hào)飛掠木星時(shí),與木星赤道面的夾角為 52 度,觀測(cè)到木星的南北極的部分區(qū)域,因此也算部分實(shí)現(xiàn)了先驅(qū)者 H 的目標(biāo)。真正實(shí)現(xiàn)先驅(qū)者 H 的軌道模式的是后來(lái)被發(fā)射升空的太陽(yáng)探測(cè)器尤利西斯(Ulysses)與木星探測(cè)器朱諾(Juno)。尤利西斯與太陽(yáng)赤道面的夾角達(dá)到 80.2 度,幾乎垂直。朱諾則與木星赤道面完全垂直(夾角為 90 度),屬于典型的極軌探測(cè)器。

先驅(qū)者 11 號(hào)的歷史貢獻(xiàn)

先驅(qū)者 11 號(hào)是第一顆近距離探測(cè)土星系統(tǒng)的探測(cè)器,它實(shí)現(xiàn)了人類近距離探測(cè)土星系統(tǒng)的夢(mèng)想。

在進(jìn)入土星系統(tǒng)后,先驅(qū)者 11 號(hào)上面的各種儀器獲得了土星、土星環(huán)與土星衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。它獲得的近紅外數(shù)據(jù)使天文學(xué)家可以確定土星上層大氣的溫度、結(jié)構(gòu)與土衛(wèi)六的溫度;它在可見(jiàn)光波段獲得的圖像的品質(zhì)超過(guò)了地球上當(dāng)時(shí)所有望遠(yuǎn)鏡獲得的圖像,成為天文學(xué)家研究土星系統(tǒng)細(xì)節(jié)的第一批珍貴圖像;它獲得的土星磁場(chǎng)的數(shù)據(jù),使天文學(xué)家可以繪制土星的磁層和磁場(chǎng)分布、強(qiáng)度、方向與結(jié)構(gòu),并確定太陽(yáng)風(fēng)粒子與土星系統(tǒng)磁場(chǎng)相互作用的細(xì)節(jié);它的近距離觀測(cè)提供了土星環(huán)的大量細(xì)節(jié),并幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的 F 環(huán);它通過(guò)飛掠,精確測(cè)定了土星與土星的一些衛(wèi)星的質(zhì)量。

此外,先驅(qū)者 11 號(hào)雖然不是第一個(gè)近距離探測(cè)木星系統(tǒng)的探測(cè)器,但它卻在更近的距離處獲得了木星更清晰的圖像,并首次獲得木星兩極的圖像。它對(duì)木星的探測(cè)進(jìn)一步深化了人類對(duì)木星性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

為了紀(jì)念無(wú)人探索飛船在探索太陽(yáng)系內(nèi)行星與月球方面的重大貢獻(xiàn),美國(guó)郵政局于 1991 年 10 月 1 日發(fā)行了一套共 10 枚郵票,描述了太陽(yáng)系當(dāng)時(shí)的“九大行星”與月球被探索的情況(當(dāng)時(shí)冥王星依然被視為行星)。在這套郵票中,木星的那一張搭配先驅(qū)者 11 號(hào),而不是最早探測(cè)木星的先驅(qū)者 10 號(hào),而土星、天王星與海王星都搭配旅行者 2 號(hào)。

筆者的個(gè)人觀點(diǎn)是:雖然先驅(qū)者 11 號(hào)與旅行者 2 號(hào)分別對(duì)木星與土星做出更清晰的觀測(cè),但第一次成功接近并傳回?cái)?shù)據(jù)的分別是先驅(qū)者 10 號(hào)和 11 號(hào)。因此,更合理的搭配也許應(yīng)該是:木星-先驅(qū)者 10 號(hào),土星-先驅(qū)者 11 號(hào),天王星與海王星-旅行者 2 號(hào)。

1991 年 10 月 1 日發(fā)行的木星與先驅(qū)者 11 號(hào)郵票。圖片來(lái)源:United States Postal Service

先驅(qū)者 11 號(hào)的成功也為此后執(zhí)行任務(wù)的旅行者 1 號(hào)、旅行者 2 號(hào)與卡西尼-惠更斯號(hào)探測(cè)器探測(cè)土星積累了第一批寶貴經(jīng)驗(yàn),并為旅行者 2 號(hào)探測(cè)天王星與海王星掃清了道路。特別是,它驗(yàn)證了土星環(huán)內(nèi)部的顆粒環(huán)境,確保旅行者 2 號(hào)將來(lái)可以安全通過(guò)預(yù)定路線。

當(dāng)年先驅(qū)者號(hào)團(tuán)隊(duì)的成員一度因先驅(qū)者 11 號(hào)為旅行者 2 號(hào)而犧牲自己最后的探測(cè)目標(biāo)而憤憤不平,但隨著后來(lái)旅行者 2 號(hào)成功探測(cè)了天王星與海王星,他們也釋然了。因?yàn)樗麄冎?,先?qū)者 11 號(hào)為旅行者 2 號(hào)作了開(kāi)路先鋒,從而為人類探索這兩顆冰巨行星做出了自己的重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

  • [1] In Depth: Pioneer 11, https://solarsystem.nasa.gov/missions/pioneer-11/in-depth/

  • [2] Wikipedia: Pioneer 11, https://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11#cite_note-Pioneer_11-1

  • [3]Andrew LePage, Our First Good Look at Jupiter’s North Pole – 1974, https://www.drewexmachina.com/2016/06/28/our-first-good-look-at-jupiters-north-pole-1974/

  • [4]Andrew LePage, Voyager 1: The First Close Encounter with Titan, https://www.drewexmachina.com/2015/11/12/voyager-1-the-first-close-encounter-with-titan/

  • [5] Bailer-Jones, Coryn A. L. & Farnocchia, Davide, Future Stellar Flybys of the Voyager and Pioneer Spacecraft, Research Notes of the American Astronomical Society, 2019, 3, 59. 這篇論文的擴(kuò)展版本見(jiàn):arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/ abs / 1912.03503)

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