她拍下的這張照片，讓人類重新思考宇宙和自身

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：王善欽

撰文 | 王善欽

作為“行星壯游”項目的探路者，先驅者 10 號與先驅者 11 號的成功，為人類打開了探測外行星（木星、土星、天王星與海王星）的兩個天窗。然而，在這兩個探測器被發(fā)射之前的 1971 年 12 月 16 日，NASA 宣布：取消“行星壯游”項目。此時距離該項目被正式發(fā)起（1969 年）才 2 年。

“行星壯游”項目被取消的原因在于經費。當時該項目的預算高達 10 億美元，相當于現在的約 50 多億美元。另一方面，從 1965 年開始，NASA 獲得的經費就逐年減少；阿波羅登月計劃于 1969 年成功之后，同年上任的總統(tǒng)尼克松進一步削減 NASA 的年度經費。1971 年，NASA 只能在航天飛機項目和“行星壯游”項目中二選一。NASA 選擇了航天飛機項目。

旅行者號：“行星壯游”的浴火重生

“行星壯游”項目被取消，無疑是一個巨大的悲劇。

幸運的是，NASA 的“外行星工作組”（Outer Planets Working Group）在 1969 年推薦“行星壯游”項目的同時，也推薦了一個備選方案：建立一個只探測木星與土星的項目，該項目的預算相對低得多。1971 年，針對“行星壯游”項目最后一次討論表決會上，專家組在通過該項目的同時，也強調了這個備選方案。NASA 在最終決定取消“行星壯游”項目時，也給了備選方案高度評價。

這個備選方案為“行星壯游”項目贏得浴火重生的機會。1972 年 1 月，噴氣推進實驗室（JPL）就開始轉向該備選項目的準備；同年 5 月，NASA 正式批準了這個備選項目，它就是“水手木星-土星”（Mariner Jupiter-Saturn，MJS）項目。

MJS 項目將發(fā)射 2 個完全一樣的探測器，其中第二個探測器作為第一個探測器的備件。MJS 項目被提出時，JPL 已經運營了探測水星、金星與火星的水手 1 號到 9 號，水手 10 號也即將被發(fā)射。MJS 項目的兩個探測器因此被分別命名為“水手 11 號”與“水手 12 號”。該項目的預算為 3.6 億美元。

由于 MJS 項目的水手 11 號與水手 12 號探測的是外行星，與水手系列的其他探測器在探測目標上有較大差異，因此它們在 1977 年 3 月 7 日分別被改名為“旅行者 1 號” （Voyager 1）與“旅行者 2 號” （Voyager 2），從而不再屬于水手系列，但依然由 JPL 的團隊運營。

旅行者 1 的探測目標是木星、土星與土衛(wèi)六，其軌道代號是“JST”，這 3 個字母分別是上述 3 個天體的英文首字母。

結構與儀器

旅行者 1 號的質量為 825.5 千克，其中飛船自身質量為 721.9 千克。它有 16 個用于姿態(tài)控制的 MR-103 肼推進器、8 個備用推進器、三軸穩(wěn)定陀螺儀、天體坐標參考設備、無線電通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、11 個科學儀器、用于中途改變軌道的固體發(fā)動機與 8 個推進火箭發(fā)動機。

旅行者 1 號的無線電通信系統(tǒng)包括一個直徑 3.7 米的拋物面高增益天線，接收地球上的 3 個深空網絡站點（DSN）發(fā)送的信號指令，并向 DSN 發(fā)送得到的數據。

旅行者 1 號上面還有一個數據存儲器，即“數字磁帶記錄器（DTR）”，它可以保存 64 千字節(jié)的數據，這使它可以延時發(fā)送圖像。作為對比，先驅者 10 號與 11 號上面沒有 DTR，拍攝的數據必須立即發(fā)送。

旅行者 1 號的電能由三個放射性同位素熱電機（RTG）提供。每個 RTG 包含 24 個壓縮钚-238 氧化物球，因此也被稱為钚核電池。在剛發(fā)射時，RTG 產生的熱可以制造出約 470 瓦特的電功率。由于放射性物質的衰變，RTG 的功率會不斷降低。

旅行者 1 號的科學儀器包括：成像科學系統(tǒng)（Imaging Science System）、射電科學系統(tǒng)（Radio Science System）、紅外干涉光譜儀（Infrared Interferometer Spectrometer）、紫外光譜儀（Ultraviolet Spectrometer）、三軸磁通門磁強計（Triaxial Fluxgate Magnetometer）、等離子體光譜儀（Plasma Spectrometer）、低能帶電粒子設備（Low Energy Charged Particle Instrument）、宇宙線系統(tǒng)（Cosmic Ray System）、行星射電天文調查（Planetary Radio Astronomy Investigation）系統(tǒng)、光偏振計系統(tǒng)（Photopolarimeter System）、等離子體波子系統(tǒng)（Plasma Wave Subsystem）。

在旅行者 1 號的儀器中，負責拍攝圖像的是成像科學系統(tǒng)，它重達 38.2 千克，包含長焦窄視場相機與短焦寬視場相機，二者使用的望遠鏡的口徑分別為 17.7 厘米與 5.7 厘米。兩個相機上面的濾光片都覆蓋了紫外到可見光的多個波段。通過這些濾光片，相機可拍攝出單色圖像，并被天文學家合成為壯麗的彩圖，其分辨率最高可達數千米每像素。

根據此前的計算，原定的“行星壯游”項目的飛船與后來作為替代者的旅行者 1 號及 2 號的發(fā)射時間窗都在 1976-1980 年之間。1977 年 9 月 5 日，旅行者 1 號搭載大力神 3 號 E-半人馬（Titan IIIE-Centaur）火箭升空。此前 16 天（1977 年 8 月 20 日），旅行者 2 號已經先搭載同款火箭升空。旅行者 1 號在發(fā)射前被多次推遲升空，導致了這個顛倒的次序。不過，在軌道動力學專家的設計下，旅行者 1 號將比旅行者 2 號更早穿過小行星帶、造訪木星與土星。

1977 年 12 月 10 日，旅行者 1 號進入小行星帶。1977 年 12 月 19 日，旅行者 1 號飛到旅行者 2 號的前面。1978 年 09 月 8 日，旅行者 1 號離開小行星帶。

飛掠木星系統(tǒng)

1979 年 1 月 6 日，旅行者 1 號開始觀測木星。

1979 年 1 月 6 日至 2 月 3 日的 28 天時間內，旅行者 1 號持續(xù)拍攝多張木星照片。在此期間，旅行者 1 號從距離木星 5800 萬千米飛行到距離木星 3100 萬千米。后來，這些照片被拼接為一個電影。

1979 年 2 月 10 日，旅行者 1 號進入了木星系統(tǒng)。3 月初，它發(fā)現了一個環(huán)繞木星的薄環(huán)，其厚度不到 30 千米。這是人類首次確認木星有環(huán)。1979 年 3 月 4 日與 5 日，旅行者 1 號先后發(fā)現木衛(wèi)十四與木衛(wèi)十六。

1979 年 3 月 5 日 12:05:26，旅行者 1 號到達木星近拱點，此時它距離木星云頂約 28 萬千米。在飛掠木星前后，它拍攝了大量高品質圖像，探測了木星的磁場、重力場、大氣，等等。

飛掠木星后，旅行者 1 號在同一天先后飛掠木衛(wèi)一（距離 2.057 萬千米）與木衛(wèi)二（距離 73.376 萬千米）。

相比先驅者 10 號與先驅者 11 號飛掠木衛(wèi)一的距離（分別為 35.7 萬千米與 31.4 萬千米），旅行者 1 號與木衛(wèi)一的距離（2.057 萬千米）小得多，因此得以觀測到木衛(wèi)一的大量細節(jié)。

旅行者 1 號直接拍攝到木衛(wèi)一上面火山的爆發(fā)現象。這是人類首次在地球之外的天體上面發(fā)現火山爆發(fā)。有趣的是，就在這個發(fā)現前不久，天文學家已經從根據理論計算預言木衛(wèi)一存在火山活動。研究表明，木衛(wèi)一是太陽系中火山活動最活躍的天體。它上面的火山噴發(fā)出的富含硫的物質落在它的表面，形成紅色、橙色和黃色的表面。

盡管旅行者 1 號飛掠木衛(wèi)二的距離超過先驅者 10 號與先驅者 11 號的距離（32.1/58.67 萬千米），但它依然憑借其高品質成像系統(tǒng)獲得了更高清晰度的圖像。它拍攝的圖像表明木衛(wèi)二表面有縱橫交錯的裂紋。當時的天文學家推斷這些裂紋來自表層斷裂或構造過程。

1979 年 3 月 6 日，旅行者 1 號先后飛掠木衛(wèi)三（距離 11.471 萬千米）與木衛(wèi)四（距離 12.64 萬千米）。由于飛掠距離遠小于先驅者 10 號與先驅者 11 號，它獲得了木衛(wèi)三與木衛(wèi)四更高品質的圖像。

盡管旅行者 1 號觀測木星的時間長達約 3 個月，但能夠探測木星磁場與輻射的時間卻只有到達其近拱點前后的 48 小時。對于木星環(huán)與衛(wèi)星的細致觀測的持續(xù)時間也僅有幾天。在此期間，旅行者 1 號發(fā)現了木星的 8 顆衛(wèi)星。

在幾個月成像觀測與幾天的近距離觀測過程中，旅行者 1 號得到了木星系統(tǒng)的大量數據，這些數據為行星科學家們進一步研究木星系統(tǒng)提供了重要的依據。

飛掠土星系統(tǒng)

1979 年 4 月 9 日，旅行者 1 號完成軌道修正，飛向土星。為避免撞擊到土衛(wèi)六，它在 1979 年 10 月 10 日又進行了一次軌道修正。1980 年 8 月 22 日，旅行者 1 號開始觀測土星。

1980 年 11 月 12 日，旅行者 1 號進入土星系統(tǒng)，并于同日飛掠土衛(wèi)六，飛掠時與土衛(wèi)六表面的最近距離僅 3915 千米，為先驅者 11 號飛掠土衛(wèi)六時的距離（36.2962 萬千米）的 1/90。

旅行者 1 號光譜儀獲得的數據表明，土衛(wèi)六的大氣含有甲烷、乙烷、其他多種有機化合物與大量的氮。然而，土衛(wèi)六的大氣中濃厚的有機物霧霾，使得旅行者 1 號得到的圖像看上去還是沒有特征。

根據旅行者 1 號無線電掩星數據，天文學家推斷出土衛(wèi)六的直徑為 5152 千米，表面溫度約為 94 K，大氣壓力為 1.47 巴（1 巴 = 10 萬帕斯卡，地球標準大氣壓為 1.01325 巴）。它的數據還表明土衛(wèi)六擁有稠密的大氣，其表面可能擁有液態(tài)物質。

1980 年 11 月 12 日，旅行者 1 號飛掠土衛(wèi)三（距離 41.567 萬千米）。同日 23:46:30，旅行者 1 號到達土星近拱點（距離中心天體引力中心最近的點），此時它距離土星云頂 12.6 萬千米。

1980 年 11 月 13 日，旅行者 1 號在同一天內先后飛掠土衛(wèi)一（距離 8.844 萬千米）、土衛(wèi)二（距離 20.204 萬千米）、土衛(wèi)五（距離 7.398 萬千米）與土衛(wèi)七（距離 88.044 萬千米）。

1980 年 11 月 14 日，旅行者 1 號對土星系統(tǒng)的觀測任務結束。在飛掠土星系統(tǒng)期間，旅行者 1 號觀測了土星上層大氣的化學構成、土星環(huán)的復雜結構、土星的極光、土衛(wèi)六與其他幾顆此前已被確認的衛(wèi)星，還發(fā)現了土星的 5 顆新衛(wèi)星與土星的 G 環(huán)。

旅行者 1 號近距離飛掠土衛(wèi)六時，土衛(wèi)六的引力使它此后從土星南極掠過，并飛離黃道面（地球公轉的軌道面為黃道面，太陽系內的其他行星圍繞太陽公轉的軌道面與黃道面基本共面），再飛離太陽系。

太陽系的全家福與“暗淡藍點”

1990 年 2 月 14 日，在空曠的太陽系漂移了 12 年多的旅行者 1 號距離地球約 60 億千米。此時它在黃道面上方 32 度，適合拍攝太陽系內的幾大行星。旅行者號團隊下達指令，讓它對準太陽方向，拍攝了 60 張圖，拼成了太陽系的全家福。為了避免被陽光過度曝光，每張照片的曝光時間僅為 0.005 秒。

這張全家福顯示了太陽系內木星、地球、金星、土星、天王星與海王星。水星因為太靠近太陽而無法被識別出來?；鹦钱敃r的位置使其在旅行者 1 號的視角上只是一輪新月狀天體，因此也無法被識別出來。

這套全家福中，最著名的是地球的圖像。在地球的照片中，地球只是一個 0.12 像素的微小亮點，它幾乎被相機反射陽光后形成的彩色光帶淹沒。

這張照片引起了著名天文學家、天體生物學家、科普作家與科幻小說作家卡爾?薩根（Carl Sagan，1934-1996）的深思。他將圖中的地球稱為“暗淡藍點”（Pale Blue Dot），并在 1994 年出版了《暗淡藍點：展望人類的太空家園》（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space）一書。

在這本書中，薩根動情地說：“再想想那個點。那是這里，那是家園，那是我們。在這個點上，每一個你愛的人，每一個你認識的人，每一個你曾經聽說過的人，每一個人，無論是誰，都在此度過一生?！薄坝腥苏f，天文學令人謙卑、塑造性格?？赡軟]有什么能比我們微小世界的這張遙遠的照片更能顯示人類的自負是多么愚蠢。對我而言，這張照片強調了我們的責任：更友好地對待彼此，保護和珍愛這顆暗淡藍點 —— 我們目前所知的唯一家園?！?strong>[注 1]

旅行者 1 號拍攝的這張圖與薩根寫的這本書的聯(lián)姻，使地球獲得了“暗淡藍點”這個別名。這個名稱迅速流傳并破圈，成為人類思考地球與宇宙的最重要的切入點之一。

飛出太陽系的邊疆

在結束對外行星系統(tǒng)的探測任務之后，天文學家于 1989 年為旅行者號啟動“旅行者號星際任務”（VIM）。當時，旅行者 1 號距離地球 40 天文單位（1 天文單位 1.496 億千米）。

VIM 主要探測太陽風有關的現象。VIM 被分為三個階段，分別是：探測終端激波（Termination Shock）、探測日球層鞘（Heliosheath）、探測星際空間。

日球層（heliosphere）是太陽發(fā)出的太陽風在太陽周圍形成的一個巨大的泡（下圖中淺灰色區(qū)域），它與星際空間的邊界是日球層頂（Heliopause），太陽風粒子止步于此。太陽風吹到接近日球層頂的區(qū)域，就會與星際介質接觸，受到星際介質的阻礙作用，形成終端激波，這個區(qū)域被稱為“終端激波區(qū)”。

在太陽運動方向一端，終端激波區(qū)與日球層頂之間的區(qū)域的形狀像刀鞘或劍鞘，因此被稱為“日球層鞘”。

因此，朝著遠離太陽的方向，由內向外依次是終端激波區(qū)、日球層鞘與日球層頂。日球層頂沖擊星際介質，形成弓形激波（Bow shock）。按照一些天文學家的定義，日球層頂之外就是星際空間。

1998 年 2 月 17 日，旅行者 1 號超越先驅者 10 號，此時它距離地球約 69.419 天文單位（約 104.1 億千米）。此后至今，它一直是距離太陽最遠的航天器。

2004 年 12 月 17 日，旅行者 1 號通過終端激波區(qū)，進入日球層鞘。2012 年 6 月，天文學家發(fā)現旅行者 1 號接收到的來自星際空間的高能粒子數目急劇增加，因此判斷它即將穿過日球層頂。

2012 年 8 月 25 日，旅行者 1 號于穿過日球層頂，此時它距地球 121 天文單位（約 181.5 億千米）。按照一些天文學家的定義，旅行者 1 號在這一天成為有史以來第一個進入星際空間的宇宙飛船。[注 2]

為慶祝旅行者 1 號到達星際空間，天文學家于 2013 年 2 月 21 日用甚長基線陣（VLBA）拍攝了旅行者 1 號的射電圖像。

截至 2023 年 2 月 18 日，旅行者 1 號與太陽的距離為 159.1 天文單位（約 238.01 億千米）[注 3]。現在，它相對太陽的速度達到 17 千米每秒（每年 3.57 天文單位），遠超過所在地的第三宇宙速度（擺脫太陽引力從而脫離太陽系的速度），因此會一直遠離太陽，并將在此后繼續(xù)向銀河系中心前進。它還可以飛出銀河系，在銀河系外的宇宙中漫游。

發(fā)給外星人的金唱片

為了能夠讓可能存在的外星人有機會了解地球，天文學家在旅行者 1 號與 2 號上面都放置了一個鍍金銅盤，其直徑為 12 英寸（30 厘米），上面記錄了地球的位置與人類的信息。這兩個鍍金銅盤就是著名的“金唱片”。

金唱片上面包括 55 種語言的問候語（包括中國的普通話、粵語、閩南語、吳語）、35 種地球生命的聲音、90 分鐘的“地球之聲”（包括鯨魚的聲音、嬰兒的哭聲、海浪拍打海岸的聲音以及地球 27 首世界名曲，其中有中國古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》等）；115 張照片（包括人類的數學、物理、太陽系及其內部的行星、地球上動物、植物、DNA、人類解剖和繁殖、地球上部分區(qū)域的地形與風景、食物、建筑、人類日常生活等）以及當時的一些政治家的問候錄音。

唱片封面的左下角表示太陽系與 15 條線與右下角的啞鈴狀圖形與先驅者 10 號與 11 號的銘牌相同，其意義已在介紹先驅者 10 號的文章（《探索太陽系邊疆的先驅：先驅者 10 號丨行星壯游》）中介紹，此處不再重復介紹。

唱片封面的左上角是留聲機唱片的圖紙和唱針。圍繞它的二進制符號表示唱片旋轉一圈的時間，據此可算出唱片旋轉一圈的時間為 3.6 秒。大圓圈下方是唱片和唱針的側視圖，里面說明播完唱片需要約 1 小時。

唱片封面的右上角顯示了圖像信號的波形、掃描時間（8 毫秒）的二進制符號與構成圖像的直線的繪制方法。最下方表示，如果解碼正確，這張圖就是一個圓。

輝煌成就與巨大犧牲

雖然旅行者 1 號并不是第一個近距離探測木星系統(tǒng)與土星系統(tǒng)的探測器，但卻得到比先驅者 10 號與 11 號更好的這兩個系統(tǒng)成員的圖像。此外，它發(fā)現了木衛(wèi)一的火山爆發(fā)、發(fā)現了木星的環(huán)、發(fā)現了木星的 8 顆新衛(wèi)星、近距離飛掠了土衛(wèi)六、發(fā)現土星的 G 環(huán)、發(fā)現了土星的 5 顆新衛(wèi)星，等等。它對木星系統(tǒng)與土星系統(tǒng)的觀測進一步深化了人類對這兩個氣態(tài)巨行星、它們的衛(wèi)星與環(huán)的物理、化學甚至生物學性質的認識。

旅行者 1 號在長途漫游過程中拍下的地球照片（“暗淡藍點”）的意義超越了天文學范疇：在薩根富有感染力的表述廣為傳播之后，這張“暗淡藍點”的圖像成為人類對宇宙、地球與人類自身進行哲學思考的重要出發(fā)點之一，使人們對地球的渺小、孤單、脆弱與珍貴有了直接認識，也使人類對宇宙的浩瀚無疆有了直觀體會。

此外，旅行者 1 號還是第一個離開太陽系的人造天體。它也是至今為止距離地球最遠的人造天體。由于它的巨大速度，當前已經升空的其他所有人造天體都無法打破它在距離方面的記錄。

盡管旅行者 1 號獲得了眾多杰出的成就，但它也付出了自己的代價。由于它近距離探測土衛(wèi)六，它的軌道在土衛(wèi)六的引力作用下發(fā)生明顯改變，從而無法在飛掠土星后前往天王星與海王星。這是一開始就被制定好的計劃。

當時旅行者號團隊甚至還定下計劃：如果旅行者 1 號探測土衛(wèi)六失敗，就讓旅行者 2 號重復旅行者 1 號的任務。我們要慶幸旅行者 1 號成功完成了土衛(wèi)六的探測計劃，使旅行者 2 號可以在此后實現探測天王星與海王星的任務，從而基本實現了此前雄心勃勃的“行星壯游”計劃。或者說，旅行者 2 號的能夠完成“行星壯游”的壯舉，要感旅行者 1 號的犧牲與成全。

• 注釋

• [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.”對其他段落感興趣的讀者可以進入以下鏈接：https://www.goodreads.com/ quotes / 337712-from-this-distant-vantage-point-the-earth-might-not-seem。

• [注 2] 天文學家對星際空間的邊界存在爭議。有些天文學家認為日球層頂不是太陽系與星際空間的分界線。這是因為，天文學家認為在更遠的地方還有大量小天體圍繞太陽公轉，它們構成的一片區(qū)域被稱為“奧爾特云”（Oort cloud）。如果以奧爾特云的外邊緣作為太陽系的邊疆，那旅行者 1 號還需要飛行近 3 萬年才能離開太陽系的邊界、進入星際空間。

• [注 3] 旅行者 1 號（與旅行者 2 號）的距離與其他信息的實時更新見：

• https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/

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