先驅者號探測器是美國發(fā)射的星際探測器系列，從1958年10月至1978年8月共發(fā)13顆，任務是探測地月空間、金星、木星、土星以及系統(tǒng)觀測月球環(huán)境、行星際空間的磁場、輻射、星際分子、太陽活動等。
1958年8月18日，美國海軍試圖發(fā)射第一顆飛向月球的探測器——“先驅者”0號，連同相繼發(fā)射的“先驅者”1號、2號、3號，紛紛失敗。成功的“先驅者”系列1-9號探測器曾拍攝到噴壺噴水狀的太陽風圖像，7號首次測量了距地球遠達560萬千米的淚珠狀磁尾。1972年和1973年，美國相繼發(fā)射了兩個空間探測器，“先驅者10號”和“先驅者11號”，這兩個探測器的主要探測目標分別是木星和土星。與此前發(fā)射的一系列“先驅者號”不同的是，10號和11號在完成探測任務后將憑借慣性飛出太陽系，飛往宇宙深處。
先驅者號探測器的成功發(fā)射，讓美國航空航天局（NASA）看到希望，開始了月球探測計劃。
先驅者10號
發(fā)射
“先驅者10號”太空探測器于1972年發(fā)射，是人類向太陽系以外送去的第一個人造物體?在成功發(fā)射之后,“先驅者”10號”以每小時5萬公里的速度飛行，用不到一天的時間接近月球，用11個星期接近火星，用不到兩年的時間接近木星?
功臣
“先驅者10”號是迄今為止人類發(fā)射的空間考察器中飛行時間最長和距離地球最遙遠的星際探測器。
負責監(jiān)控這一宇宙探測器的美國航空航天局艾姆斯研究中心的科學家最近介紹說，“先驅者10”號現在相距地球96.6億千米，以飛行時速接近4.8萬千米的速度飛離太陽系。它發(fā)出的無線電信號飛行九個小時才能到達地面，它攜帶的11臺微型熱核發(fā)電機目前僅有1臺在工作，傳回地面的信號已極其微弱，地面上巨大的射電望遠鏡在來自宇宙各種嘈雜的聲音中勉勉強強地可分辨出探測器發(fā)回的信號。考慮到巨大的花費和發(fā)回的科學數據越來越少，艾姆斯研究中心決定于3月31日中斷與“先驅者10”號的一切聯(lián)系。
2003年2月26日，美國宇航局發(fā)言人宣布，美國的航天科學家們已經無法再收到“先驅者10號”太空探測器發(fā)回的信號，并將放棄所有的努力?這標志著這個31年前發(fā)射升空飛離太陽系的飛船最終告別了人類，同時也是繼哥倫比亞空中解體失事之后又一次重大損失?
這個探測器曾首次發(fā)回詳細的木星和土星照片，并且在太陽系邊緣的有利位置發(fā)回了重要的太陽風和宇宙輻射測量數據?
“先驅者10號”現在距離地球120億公里左右的地方，美國宇航局的科學家已經有一個月沒有得到它的信號了?科學家們說，由于能量幾乎耗盡，因此“先驅者10號”的能量已經不足以允許它再發(fā)回任何信號，科學家已經不再指望和它取得任何聯(lián)系，至此它的使命徹底完成?
“先驅者10號”現在將在寂靜中繼續(xù)進行著它的漫長太空旅程，可能前往金牛座?如果一切順利，它將在大約200萬年后抵達那里?如果其他的智慧生命截獲這個來自地球的使者，他們將會得到“先驅者”10號”攜帶的一張金牌——上面描繪了人類的外貌特征，并且標出了地球和太陽系在宇宙群星中的準確位置?
評價
事實上,“先驅者10號”遠遠超出了科學家最初對它的期望，科學家本期望它能完成21個月的太空探測任務，而它竟然為科學家服務了30年?
美國航空航天局太陽系開發(fā)部主任科林·哈特曼教授道:“‘先驅者10號’是人類歷史上最具有歷史意義和科學意義的太空探測飛船，當它穿過火星上空進入更遠的太空后，它就進入了人類從來沒有探索過的地方了——如今我們只能祝愿它一帆風順?”
先驅者11號
發(fā)射
探測器在1973年4月6日，位于佛羅里達州的卡納維拉爾角發(fā)射。
探測木星
探測器于1974年12月4日最接近木星，離木星最高云層34,000公里以內。借著木星的強大引力，探測器改變軌道朝向土星。
探測土星
探測器于1979年9月1日最接近土星，離土星最高云層21,000公里以內。
（當時旅行者1號探測器及旅行者2號探測器已經過木星，同時已經朝向土星進發(fā)）先驅者11號被設定會飛過土星的光環(huán)，其軌道將會與即將到達的旅行者一樣，用以測試旅行者探測器的軌道。因為先驅者11號可以測試該區(qū)域，是否尚有暗淡光環(huán)會損毀探測器。所以先驅者11號正如其名一樣，是一名“先驅者”。要是真的探測到有危險存在的話，旅行者探測器將會更改軌道以離開那些光環(huán)，但將會失去拜訪天王星及海王星的機會。
其實探測器甫在發(fā)射后就使用備用的發(fā)射天線。探測器在1985年二月因電池提供的電力開始下降，而開始需要與其他儀器共用電力。最終，基于放射性同位素熱電產生器所提供的能源不足以再進行任何實驗后，探測器的運作及遙測數據于1995年9月30日終止傳送。在終止運作之前，探測器當時正處于離開太陽約44.7天文單位的距離，與太陽赤道面形成17.4度的傾斜角，并正以每年2.5天文單位（每秒12公里）的速度飛行。
結構
全長2.9米，設有一條直徑2.74米的高增益天線，在其之前再裝上一條中增益天線。至于另外一條全方位低增益天線則裝設于高增益天線接收器之下。探測器以兩塊放射性同位素熱電產生器（RTG）作為能源，在拜訪木星時仍能產生144瓦特，但到達土星時只能產生100瓦特的功率。
設備
探測器上還設有三個感應器：恒星（老人星）感應器及兩個太陽感應器，借以根據相對于地球及太陽的位置，及以老人星的位置作后備，用以計算探測器的位置。先驅者11號的恒星感應器及起點設定，是按先驅者10號的經驗而被重新修改的。探測器上的三對火箭推進器，負責控制轉軸（4.8rpm）及為探制器提供動力。三對火箭推進器都可以按指令持續(xù)燃點，或暫停燃點亦可。
在探測器上的儀器負責研究星際間及行星的磁場太陽風、宇宙射線、太陽圈的轉變區(qū)域、大量存在的中性氫；星塵粒子的分布、大小、質量、通量及速度；外太陽系行星極光、電波、其衛(wèi)星的大氣層；以及木星與土星及其衛(wèi)星的表面等等。
以上的研究主要由探測器上的磁力計、等離子分析器（太陽風專用）、粒子傳感器、離子傳感器、一具可以重疊不同視點來探測由經過的隕石折射而來的陽光的非影像望遠鏡、一些已密封并加壓的氬及氮氣用以計算隕石的滲透、測紫外光計、測紅外光計、及一具影像光偏計用以拍攝照片及計算光偏振等等。至于進一步的數據則從天體力學及掩星法現象去計算出來。
不明引力阻止
據美國太空網報道，美國航空航天局分別于1972年和1973年發(fā)射了先驅者10號和先驅者11號探測器，現在他們距離地球已有數十億英里遠。在這兩顆探測器遠離太陽系時，科學家發(fā)現有一股奇怪的力量在將這兩艘航天飛機往回拽。
不明力量使先驅者號運行速度減慢
這種無法解釋的力量被稱為“先驅者號異常”，似乎一直在影響美國宇航局發(fā)射的先驅者10號和先驅者11號飛船的運行。在飛船遠離太陽系的時候這種神奇的力量使得它們的運行速度減慢。這種力量是否源于探測器自身？它是否來自一些暗物質？還是一些物理學或萬有引力新規(guī)律在起作用？像這些的問題科學家仍舊不能給出答案。
然而對先驅者10號和先驅者11號跨度長達數十年的空間數據重新處理分析并對一些遙感數據認真研究后，科學家或許能夠找到上述問題的答案。經過國際研究小組對這些新數據進行大約一年的分析，這種神奇力量的來源也許真的會水落石出。
先驅者10號和先驅者11號宇宙探測器分別于1972年和1973年發(fā)射，現在距離地球已有數十億英里遠。在2月6日，先驅者10號距離太陽已經有大約92.12天文單位，并開始向金牛星座進發(fā)。1天文單位與太陽和地球的距離相等，大約有9300萬英里(1億5000萬公里)。
在探測器離地球越來越遠時，研究人員首先注意到了這個異常現象，因為他們觀察到來自探測器的微波振幅出現了跳躍變化。在每個探測器的多普勒頻波中研究人員都發(fā)現了未曾料到的振幅變化，而這種飛船的多普勒頻波一向都比較穩(wěn)定，它最終可能在漫無邊際的太空旅行中擺脫地面人員的監(jiān)控。
多普勒效應就是波長增加或減少這樣的變化，例如在救護車從靠近到從你身邊疾刺而過再到遠離你而去這個過程中它所發(fā)出聲音的音調和聲波就一直在發(fā)生變化。約翰·安德森這位已退休的美宇航局噴氣式推進實驗室的研究人員首先發(fā)現了先驅者號異常現象，他說：“我們有一種多普勒效應的模擬模型，這個模型可以對所有的外空間天體做實時監(jiān)測，只有模型不工作時這種監(jiān)測才會消失，我們讓這種模型能夠對天體監(jiān)測，所要做的就是讓探測器飛向太陽時給它一個穩(wěn)定的加速度。”
運行軌道背離“萬有引力”算出的軌道
先驅者號異常現象的模型結果不同于一般天體觀察現象的是：先驅者10號和先驅者11號每個探測器和太陽的距離都要比按照傳統(tǒng)萬有引力定律計算出來的距離要小，兩個距離大約相差24萬英里(40萬公里)。艾薩克·牛頓認為萬有引力隨著物體之間距離的增加而縮小，而先驅者號探測器在加速沖出太陽系時則達到了每小時大約30,000英里(48280公里)的速度。
斯拉瓦·圖里謝夫是美國宇航局噴氣推進實驗室的天文物理學家，他最近14年來幾乎把所有的時間都用在了研究先驅者號異常現象上。圖里謝夫說：“先驅者號探測飛船可以說對牛頓物理定律做了最大規(guī)模的檢驗，這也是人類一直想要做的，然而實驗卻失敗了。如果我們將來能夠的確在傳統(tǒng)物理學規(guī)律中找到可以解釋先驅者號異常現象發(fā)生的原因，那么這將在物理學上具有重大的意義。”
圖里謝夫努力在先驅者異常現象的起因認定方面保持客觀態(tài)度，他表示，找到造成這種現象發(fā)生的物理學原因不僅可以證實牛頓定律的正確性，而且還可以使航天工程人員在設計未來飛船中把先驅者號異常現象考慮在內從而讓飛船更加穩(wěn)定的飛行。
研究人員想要確定先驅者號探測器的電路或者兩個原子能發(fā)電機是否放射出了紅外線光子，然后這些光子又是否迅速的打到了航天器像碟子那樣的天線上進而引起了反沖作用，圖里謝夫認為這個過程就像陽光打到太陽能帆板上一樣。蓋里·金賽拉是美國宇航局噴氣推進實驗室的飛船熱能工程和飛船設計的總監(jiān)，他稱對先驅者10號宇宙飛船包括原子能發(fā)電機在內的各種熱源放射熱量的分析和模擬后，研究人員發(fā)現探測器自身原因造成先驅者異常現象發(fā)生的可能性在55%至75%之間。
遙感數據有望揭開先驅者號飛行異常之謎
在研究人員對先驅者號異常現象進行初步分析后，他們把目標轉向了先驅者10號探測器長達11.5年的空間觀測遙感數據上，盡管先驅者11號只有大約4年的服役壽命。在由星際協(xié)會贊助發(fā)起的詳細研究過后，圖里謝夫和他的研究小組不僅得到了先驅者10號大約30年的遙感數據和先驅者11號20年的數據集，還整理獲得了先驅者10和先驅者11號飛船完整詳盡的遙感數據。
這些數據中的很多被存儲在了400盒磁帶中，它們完好的保存在宇航局噴氣推進實驗室中。總的說來，所收集的先驅者10號和先驅者11號宇宙飛船的數據有將近800億字節(jié)，大約相當于數字高清有線電視半小時內播放的電視節(jié)目占用的數據字節(jié)。把有9磁道的磁帶數據轉換成現代的數據存儲形式并把一些人工添加的數據和其他壞掉的數據篩除掉對于先驅者號異常現象的研究人員來說非常耗時。但是圖里謝夫對此卻非常自信，一旦這些數據處理任務完成，那么先驅者號異常現象背后的秘密就可以發(fā)現。
先驅者號的意義
木星內部密度分布可從它的引力場的情況反映出來，而根據對“先驅者”10號和11號運行軌道的分析可以得知木星引力場的狀況。科學家根據“先驅者號”的觀測資料還建立了木星的內部模型。同過去流行的觀念大相徑庭，這個模型表明木星沒有固體表面而是一個流體行星，但它既同行星磁場和行星引力場的現有知識相符，也同高溫高壓下實驗室研究的氫性質外推結果一致。這個模型認為木星的主要成分是氫和氦，其比例類似太陽大氣。而在木星中心則有一個主要由鐵和硅構成的固體核，那里的溫度可達30,000K。這個核心稱木星核。核的外面是以氫為主要元素組成的厚層，稱為木星幔。它又可分為兩層。第一層中估計壓力為 300萬個大氣壓，溫度為11,000K，氫處于液態(tài)金屬氫狀態(tài)，其中分子離解為獨立的原子，形成導電的流體。這一層從核向外延伸到46,000公里處。第二層延伸到70,000公里處，被認為是由液態(tài)分子氫構成。大氣在這層之上再延伸1,000公里，直到云頂。
木星具有比地球更大更強的磁場和輻射帶，在“先驅者號”探測器進行探測前，我們唯一的情報是來自被輻射帶俘獲的帶電粒子所發(fā)出的無線電波。當然，地面觀測得到的知識是相當有限的。只有在“先驅者號”直接測量木星磁場與高能粒子后，才使木星磁層的圖景明晰起來。木星磁層可分三個區(qū)域。內區(qū)（離木星20個木星半徑以內）是偶極場，具有和地球輻射帶很相似的強輻射帶。中介區(qū)（從20個木星半徑到60個木星半徑）的磁力線被離心力以及可能從木星大氣層頂部出來的等離子體流所歪曲。整個內區(qū)和中介區(qū)都按木星大約10小時的自轉周期轉動。外區(qū)（從60個木星半徑到90個木星半徑）的磁場已相當弱，到磁層邊界處趨于零。空間探測表明，除掉很靠近木星表面的部分以外，木星磁場是偶極場，但是場的方向正好與地磁場相反。這就是說，地球上指北的羅盤搬到木星上將指向南方。木星磁軸與自轉軸之間的交角大約是10度8。在離開木星表面2～3個木星半徑處，場強是0.16高斯。根據“先驅者”11號的探測指出，在離木星3個木星半徑以內的磁場是四極的和八極的，而場強為3～11高斯。這種復雜的場結構可能是由木星內部的復雜環(huán)流引起的。
美國媒體近日透露，美國航空航天局分別于1972年和1973年發(fā)射了“先驅者10”號和“先驅者11”號探測器，現在兩個探測器距離地球已有上百億公里遠。就在這兩個探測器即將飛出太陽系時，科學家發(fā)現有一股奇怪的力量在將探測器往回拽，這種無法解釋的神秘力量目前被稱為“先驅者號異常”。
據悉，在探測器遠離太陽系的時候，這股神奇的力量就會使它們的運行速度減慢。這種力量是來自一些暗物質還是由于一些物理學或萬有引力新規(guī)律在起作用，這些問題科學家目前仍舊不能給出答案。
在探測器離地球越來越遠時，研究人員注意到了這個異常現象，另外他們觀察到來自探測器的微波振幅出現了跳躍變化。在兩個探測器的多普勒頻波中，研究人員都發(fā)現了沒有預料到的振幅變化，而探測器的多普勒頻波一向比較穩(wěn)定，雖然它最終可能在無邊無際的太空中擺脫地面人員的監(jiān)控。
然而對“先驅者10”號和“先驅者11”號長達數十年的空間數據進行重新處理分析并認真研究一些遙感數據后，科學家或許能夠找到上述問題的答案。據悉，在美國宇航局國際研究小組對這些數據進行大約一年的分析后，神奇力量的來源也許會水落石出。
約翰·安德森是位退休的美國宇航局噴氣推進實驗室研究人員，他首先發(fā)現了探測器遭遇的異常現象。他說：“我們有一種多普勒效應的模擬模型，這個模型可以對天體做實時監(jiān)測，只有模型不工作時這種監(jiān)測才會停止。利用這種模型對天體進行研究，我們需要做的就是利用探測器發(fā)回來的數據，并在探測器飛出太陽系時給它一個穩(wěn)定的加速度。”
斯拉瓦·圖里謝夫是美國航空航天局的天文物理學家，他最近14年來幾乎把所有時間都用在了研究兩個探測器遭遇到的異常現象上。圖里謝夫說：“探測器的飛行過程可以說是個對牛頓物理定律不斷進行檢驗的過程，這也是人類一直想要做的。如果我們將來能夠在傳統(tǒng)物理學規(guī)律中找到可以解釋這些異常現象的方法，那么這將在物理學上具有重大的意義。”
另外，他說這可以使航天工程人員以后在設計飛船時把探測器遭遇的異常現象考慮在內，從而讓未來飛船的性能更加穩(wěn)定。
參考資料 >
【今日航天】探月工程之二:那些年我們看別人探月(上).錢學森圖書館微信公眾平臺.2024-04-01
如果宇宙是“黑暗森林”，我們?yōu)楹我筚M周章地尋找外星人？.中國科學報微信公眾平臺.2024-04-01