上文書(shū)我們講到了美國(guó)人開(kāi)始把眼光投向了火星之外，夸過(guò)小行星帶之后還有廣闊的空間需要人類(lèi)去探測(cè)。以小行星帶為界線(xiàn)，往里全都是巖石行星，往外就是氣態(tài)行星的世界了，那是一個(gè)完全不同的領(lǐng)域。

其實(shí)，這個(gè)探測(cè)計(jì)劃并不是一時(shí)興起，這跟天文學(xué)上的一個(gè)巧合有關(guān)系。從70年代末開(kāi)始，一直到80年代初，會(huì)出現(xiàn)一次9星連珠的情況，那年頭，冥王星還沒(méi)有被降級(jí)，所以大家都認(rèn)為太陽(yáng)系有9大行星。9星連珠也就意味著，太陽(yáng)系的幾顆大行星會(huì)排列在太陽(yáng)的一側(cè)，盡管沒(méi)辦法完全排成一條直線(xiàn)，而且也經(jīng)常湊不齊9顆。起碼4顆巨型氣態(tài)行星都是在同一邊的。但是這對(duì)行星探測(cè)器來(lái)講，卻是千載難逢的機(jī)會(huì)，175年才有這么一回。因?yàn)檫@就意味著，只要把握好發(fā)射時(shí)機(jī)，控制好軌道，就可以利用一顆探測(cè)器拜訪好幾顆行星。

所以，JPL的工程師在1964年就已經(jīng)提出了這個(gè)想法，這個(gè)方案還有一個(gè)好處，那就是借助引力彈弓效應(yīng)。探測(cè)器可以借力打力，獲得加速。不但節(jié)省了燃料，還節(jié)省了整個(gè)計(jì)劃的總時(shí)間。探測(cè)器壽命有限，實(shí)在拖不起，能快還是盡量快一點(diǎn)。

NASA后來(lái)采納了這個(gè)建議，NASA的艾姆斯研究中心提出了一個(gè)銀河系木星探測(cè)器計(jì)劃，發(fā)射兩顆探測(cè)器，一前一后，穿過(guò)小行星帶探索木星。因?yàn)榻柚四拘堑囊椆?yīng)，這兩顆探測(cè)器不會(huì)成為繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)圈圈的人造行星，而是一直向太陽(yáng)系外飛去，永不回頭了。

一直到1969年2月份，NASA才批準(zhǔn)了這個(gè)計(jì)劃，開(kāi)始正式執(zhí)行。NASA就把當(dāng)初那個(gè)先驅(qū)者計(jì)劃的名字拿出來(lái)了。編號(hào)往下排，輪到10和11了，于是這兩顆探測(cè)器叫做先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)。

所以啊，70年代初的先驅(qū)者10號(hào)11號(hào)，到70年代后期的旅行者計(jì)劃，都是為了趕上70年代末，80年代初這個(gè)行星連珠的機(jī)會(huì)。這也是行星探究的一次高潮，后來(lái)的探測(cè)器就只能一事一議了。

先驅(qū)者10號(hào)

先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)交給艾姆斯研究中心負(fù)責(zé)運(yùn)行。這一次不是交給JPL的。艾姆斯研究中心面臨的難題還是很多的，因?yàn)檫@顆探測(cè)器要在星際空間飄很多年，這個(gè)壽命不是金星火星探測(cè)器能比的。

木星和土星的軌道距離太遠(yuǎn)了，如果用太陽(yáng)能電池板，電力可能會(huì)不夠用。能源問(wèn)題不好解決。另外，正因?yàn)槟拘擒壍缹?shí)在太遠(yuǎn)了，需要非常強(qiáng)大的火箭，才能獲得足夠的速度，速度慢了，時(shí)間太長(zhǎng)。那么用什么火箭能發(fā)射呢？

探測(cè)器總要調(diào)整姿態(tài)，總要進(jìn)行軌道修正，所以探測(cè)器必須帶小發(fā)動(dòng)機(jī)，攜帶液體燃料，如何保證燃料能保存那么長(zhǎng)時(shí)間？

接下來(lái)就是通信問(wèn)題了，木星軌道如此遙遠(yuǎn)，發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)如何精確的對(duì)準(zhǔn)地球，地面上要用多大一口鍋才能接收那么微弱的信號(hào)，這也是一個(gè)前所未有的難題。這些難題都要一一解決，時(shí)間不多了。

架設(shè)在本體之外的核電池

首先是能源選擇問(wèn)題，既然木星軌道太陽(yáng)光太弱，那就只能選用核電池。也就是利用钚238作為能源，上次我們?cè)敿?xì)講過(guò)核電源的材料問(wèn)題。先驅(qū)者10號(hào)選用了4臺(tái)同位素?zé)犭娫础＠妙?38自發(fā)衰變釋放出熱量，然后利用溫差來(lái)發(fā)電。因?yàn)檫@東西會(huì)發(fā)熱，也為了讓放射源盡量不干擾其他的儀器，4個(gè)電源分兩組，用支架伸出探測(cè)器之外，支架的夾角是120度，就好像探測(cè)器長(zhǎng)了兩個(gè)犄角一樣。

先驅(qū)者10號(hào)大概是個(gè)六邊型的盒子，盒子上邊是一口大鍋，也就是高增益定向天線(xiàn)。為了加強(qiáng)信號(hào)，這口鍋的直徑達(dá)到了2.74米，跟過(guò)去家用的衛(wèi)星電視天線(xiàn)差不多。不能再大了，再大裝不進(jìn)火箭整流罩。

先驅(qū)者10號(hào)從側(cè)面伸出三根桿子，兩根短粗的頂端掛的是核電池。又細(xì)又長(zhǎng)的那一根桿子頂端裝的是磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，這東西怕干擾，盡量撐遠(yuǎn)一點(diǎn)。

除了測(cè)磁場(chǎng)，高能宇宙射線(xiàn)總要測(cè)量吧。紅外紫外線(xiàn)總要測(cè)吧。還有蓋格計(jì)數(shù)器，微流星體計(jì)數(shù)器，帶電粒子測(cè)量?jī)x，輻射測(cè)量?jī)x，偏光望遠(yuǎn)鏡等等儀器設(shè)備?？傊皇菧y(cè)帶電粒子的，就是測(cè)光的。

偏光望遠(yuǎn)鏡其實(shí)就是照相機(jī)，口徑1英寸。里邊配備了紅光和藍(lán)光濾鏡，可以拍攝彩色照片。有人說(shuō)還差綠的，沒(méi)關(guān)系，不帶濾鏡拍攝的是黑白圖像，通過(guò)算法扣除紅色和藍(lán)色，可以反算出綠色。

探測(cè)器裝了6個(gè)姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)部裝了一個(gè)直徑42厘米的球形燃料罐，里面裝的是偏二甲肼+四氧化二氮作為燃料，這兩種物質(zhì)常溫下都是液體。除了需要耐腐蝕，不需要什么特別的條件。能夠長(zhǎng)期在太空保存。當(dāng)然為了抗腐蝕，燃料箱需要皮厚一點(diǎn)，管子和閥門(mén)需要特別的材料。其他也就沒(méi)什么特殊的了。

總之，這個(gè)探測(cè)器從天線(xiàn)頂端到底座高度2.9米，天線(xiàn)直徑2.74米，這個(gè)探測(cè)器的輪廓尺寸就這么大，重量達(dá)到258公斤，跟一輛重型摩托車(chē)差不多。因?yàn)榛鸺芰τ邢?，探測(cè)器不能太重。不能太重，還要經(jīng)久耐用，這本身就是一對(duì)矛盾。艾姆斯研究中心的技術(shù)人員簡(jiǎn)直是螺絲殼里做道場(chǎng)，盡量節(jié)省每一克的重量。

即便是如此節(jié)省，先驅(qū)者10號(hào)還是攜帶了一樣看似多余的東西，這是一個(gè)鋁制鍍金的牌子，被固定在了探測(cè)器的殼子上。這東西也不輕，足足有120克重，寬度22.86厘米，高度15.24厘米，厚度1.27毫米。比一臺(tái)ipad mini稍微大了那么一點(diǎn)。

牌子上左上角刻了氫原子的能級(jí)躍遷圖。這表示人類(lèi)就是用這種方法來(lái)測(cè)量時(shí)間的。中性的氫原子時(shí)時(shí)刻刻都在往外發(fā)射頻率為1420.405MHz的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，這就是射電天文學(xué)非常重要的一條譜線(xiàn)。大家注意，我們?nèi)粘Ｊ褂玫臒o(wú)線(xiàn)電頻率，基本上都避開(kāi)了這個(gè)波段，就是為了盡量不給射電天文觀測(cè)造成干擾。

因?yàn)闅湓厥怯钪嬷凶钬S富的元素了。中性不帶電的氫原子又是最典型的一個(gè)狀態(tài)。我們的銀河系里就有大量的氫元素，所以也會(huì)在1420.405兆赫上發(fā)出無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。我們通過(guò)觀測(cè)中性氫信號(hào)強(qiáng)度，就可以描繪出銀河系的形狀。可見(jiàn)光波段能看到的范圍遠(yuǎn)比不上射電波段寬廣。

當(dāng)然，我們可以觀察銀河各個(gè)角度的中性氫信號(hào)的多普勒頻移，確定銀河系各個(gè)懸臂的轉(zhuǎn)速。這也是測(cè)量和計(jì)算銀河系整體轉(zhuǎn)速的一個(gè)有效手段。測(cè)轉(zhuǎn)速有啥用？你去復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)暗物質(zhì)是怎么發(fā)現(xiàn)的。

先驅(qū)者號(hào)的鍍金鋁牌

你別看牌子左上角上只畫(huà)了兩個(gè)圓圈表示氫原子，其實(shí)設(shè)計(jì)者是有深意的，這事兒很重要。

左邊中間畫(huà)了14條放射線(xiàn)，中心代表地球，線(xiàn)的角度和長(zhǎng)度代表地球到周?chē)?4顆最亮脈沖星的位置。這些線(xiàn)也不是連續(xù)線(xiàn)條，而是像電報(bào)那樣由短線(xiàn)和長(zhǎng)線(xiàn)組成，這其實(shí)是二進(jìn)制編碼，表示這些脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。

牌子左下方刻著大小不一的圓圈，表示太陽(yáng)系的9大行星，還畫(huà)了一條曲線(xiàn)，從第三顆行星上延伸出來(lái)，夸過(guò)最大的一顆行星以后拐了個(gè)大彎，這表示先驅(qū)者10號(hào)的飛行路徑。

牌子右邊畫(huà)了一對(duì)裸體的男女，表達(dá)人類(lèi)的問(wèn)候，人身邊的弧線(xiàn)是先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器的輪廓。和人體身高的比例完全符合實(shí)際。

這牌子是干啥用的，其實(shí)就是在向外星智慧生命自報(bào)家門(mén)，就是高速外星人，時(shí)間如何計(jì)算，以我們?nèi)祟?lèi)計(jì)時(shí)的方法，找到那幾顆周期相符的脈沖星，只要找到這幾顆脈沖星，就能反推出地球的位置。接下來(lái)的內(nèi)容就介紹我們是誰(shuí)，我們到底啥模樣，我們的態(tài)度是友好的……

我充分懷疑，外星人看不懂。您這東西地球人都看不明白，別說(shuō)外星人了。再說(shuō)啦，這東西哪怕飛出去幾百萬(wàn)年，都未必碰得上一顆行星，這顆行星還未必存在智慧生命，您這心操得有點(diǎn)太遠(yuǎn)了吧。這是誰(shuí)出的主意？

埃里克·博格斯

想出這個(gè)創(chuàng)意的人叫“埃里克·博格斯”，他是《基督教科學(xué)箴言》的記者，也是專(zhuān)欄作家。而且還是英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的會(huì)員，以及美國(guó)宇航協(xié)會(huì)的會(huì)員。他為先驅(qū)者計(jì)劃寫(xiě)了很多文章。和當(dāng)時(shí)在NASA工作的卡爾薩根特別熟悉。他把自己這個(gè)想法一說(shuō)，卡爾薩根馬上來(lái)了興趣。是卡爾薩根打報(bào)告申請(qǐng)，在先驅(qū)者10號(hào)上邊裝了這么個(gè)牌子。

弗蘭克·德雷克

至于牌子上的內(nèi)容呢，是卡爾薩根和德雷克兩個(gè)人設(shè)計(jì)的。這二位可是大名鼎鼎啊，德雷克是專(zhuān)門(mén)研究無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)的，他主持了搜尋外星人的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，還主持了阿雷西博天文臺(tái)的擴(kuò)建。這位也是個(gè)強(qiáng)烈的外星人愛(ài)好者。牌子上那兩個(gè)裸體小人呢，那是卡爾薩根的妻子畫(huà)的?？査_根的第二任妻子剛好是個(gè)藝術(shù)家。

這個(gè)牌子一式兩份，另一個(gè)裝在先驅(qū)者11號(hào)上?？査_根干這事兒上癮啊，他就喜歡諸如此類(lèi)的行為藝術(shù)。在他的推動(dòng)之下，旅行者一號(hào)和二號(hào)已經(jīng)不裝金屬牌子了，改成多媒體唱片了，不過(guò)這是后話(huà)了。

卡爾薩根在波士頓市政廳門(mén)口舉著先驅(qū)者10號(hào)的金屬牌

1972年的3月3號(hào)，先驅(qū)者10號(hào)發(fā)射升空。這一次用的還是擎天神火箭+半人馬座上面級(jí)。但是為了增加推力，在半人馬座上面級(jí)上邊又裝了一個(gè)Star-37E固體火箭。用這個(gè)家伙完成先驅(qū)者10號(hào)的最后加速，就靠這東西臨門(mén)一腳，足以把探測(cè)器送出太陽(yáng)系。

火箭發(fā)射很成功，探測(cè)器被加速到14.4公里每秒遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第二宇宙速度。11個(gè)小時(shí)之后，先驅(qū)者10號(hào)就已經(jīng)路過(guò)了月球，由此可見(jiàn)這家伙飛得有多快。為了穩(wěn)定自身的姿態(tài)，先驅(qū)者10號(hào)以每秒轉(zhuǎn)一圈的速度快速旋轉(zhuǎn)。等到三根拉桿伸出來(lái)了，轉(zhuǎn)速也就降低到了一分鐘4.8圈。這個(gè)過(guò)程符合角動(dòng)量守恒。反正先驅(qū)者10號(hào)使用核電池，不需要太陽(yáng)能電池，因此也就沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的必要。只要軸線(xiàn)上的那口大鍋能對(duì)準(zhǔn)地球就行了，可以采用自旋穩(wěn)定。

先驅(qū)者10號(hào)需要的總能量是100瓦左右。出發(fā)的時(shí)候，電池的功率是155瓦。根據(jù)計(jì)算，等飛到木星的時(shí)候，功率會(huì)衰減到140瓦，依然是富富有余的。30年后，大概會(huì)衰減到80%，但是用來(lái)把熱能轉(zhuǎn)化成電能的熱電偶老化更快，估計(jì)只能提供60%的電力了，到那時(shí)候，儀器只能選擇性的開(kāi)啟，無(wú)法同時(shí)開(kāi)啟了。不過(guò)呢，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了NASA當(dāng)時(shí)的計(jì)劃。NASA覺(jué)得能堅(jiān)持兩年就夠用，當(dāng)然時(shí)間長(zhǎng)了更好。但是沒(méi)想到堅(jiān)持了那么久。

先驅(qū)者10號(hào)的油畫(huà)

先驅(qū)者10號(hào)就是這么一路轉(zhuǎn)著，奔著木星就去了。10天以后，探測(cè)器上的儀器開(kāi)機(jī)了。先驅(qū)者號(hào)成了第一個(gè)探測(cè)到行星際氦原子的探測(cè)器。還捕捉到了來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的鋁離子和鈉離子。發(fā)射了僅僅12周，先驅(qū)者10號(hào)就穿過(guò)了火星軌道。12個(gè)禮拜不就是3個(gè)月嘛。過(guò)去火星探測(cè)器都要走7個(gè)月呢。先驅(qū)者10號(hào)跑得比別人快多了。

1972年的7月15號(hào)，先驅(qū)者10號(hào)進(jìn)入小行星帶，成為人類(lèi)第一個(gè)進(jìn)入小行星帶的航天器。到了8月7號(hào)，先驅(qū)者號(hào)探測(cè)到一次猛烈的太陽(yáng)風(fēng)暴，而且探測(cè)到了風(fēng)暴產(chǎn)生的激波，先驅(qū)者9號(hào)也參與了觀測(cè)。大家別忘了，我們以前提到過(guò)這個(gè)先驅(qū)者9號(hào)，這是個(gè)廉價(jià)低配版的太陽(yáng)系探測(cè)器，壽命長(zhǎng)著呢。

在穿越小行星帶期間，先驅(qū)者10號(hào)上的探測(cè)塵埃顆粒和微流星體的探測(cè)器沒(méi)有收到多少信號(hào)，說(shuō)明小行星帶還是非?？諘绲?。我們現(xiàn)在看科普的影視，或者是某些科幻作品，總是把小行星帶描繪成密密麻麻的，到處都有小天體，其實(shí)真實(shí)情況根本不是這樣。行星際空間的空曠是難以想象的，小行星帶雖然小天體很多。但是相比之下空間更大。

先驅(qū)者10號(hào)的路徑

當(dāng)然了，行星際空間也不是完全真空，多多少少還有點(diǎn)物質(zhì)。我們太陽(yáng)系內(nèi)大部分物質(zhì)都集中在一個(gè)扁平的盤(pán)子上，這個(gè)扁盤(pán)子上的物質(zhì)橫豎是要比其他真空環(huán)境要多那么一點(diǎn)點(diǎn)，多多少少會(huì)多反射那么一點(diǎn)點(diǎn)光。這一點(diǎn)點(diǎn)光是可以被觀測(cè)到的，這就是所謂的“黃道光”。因?yàn)閺牡厍蛏嫌^測(cè)，這些物質(zhì)的反光總是集中在黃道帶上。先驅(qū)者10號(hào)也對(duì)這些顆粒做了統(tǒng)計(jì)。

到了1973年的2月15號(hào)，先驅(qū)者10號(hào)安全地穿過(guò)了小行星帶，下一站就是木星了，到此為止它已經(jīng)飛過(guò)了4.35億公里的距離。但是從小行星帶到木星還有好遠(yuǎn)好遠(yuǎn)呢。2月15號(hào)是春節(jié)剛過(guò)，還沒(méi)到元宵節(jié)。

一直到11月份，先驅(qū)者10號(hào)才接近木星的范圍。這個(gè)地方距離木星2,500萬(wàn)公里。地面艾姆斯中心的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)出指令，開(kāi)始測(cè)試先驅(qū)者10號(hào)的成像系統(tǒng)，也就是說(shuō)打開(kāi)望遠(yuǎn)鏡，準(zhǔn)備拍照了。這時(shí)候的木星在照相機(jī)畫(huà)面上，還是一個(gè)綠豆大小的小光點(diǎn)。拍到的照片要花好久好久才能傳回地面，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候，探測(cè)器和地面的通訊速率是256bit/秒。隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，通信速率還會(huì)進(jìn)一步下降，因?yàn)樾盘?hào)變得越來(lái)越微弱。

先驅(qū)者10號(hào)拍到的木星拼在一張圖上

就這樣，先驅(qū)者10號(hào)不斷的發(fā)回照片，大家從圖像上看到木星越來(lái)越大，越來(lái)越大，也就是說(shuō)探測(cè)器距離木星越來(lái)越近了。又過(guò)了20天的樣子。先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)粒子的數(shù)目急劇減少，周?chē)臏囟壬吡?00倍。這說(shuō)明，先驅(qū)者10號(hào)已經(jīng)進(jìn)入到了木星磁場(chǎng)邊緣了。太陽(yáng)風(fēng)高能帶電粒子遇到木星的磁場(chǎng)就會(huì)被迫拐彎繞著走，就不得不急劇減速。動(dòng)能就會(huì)損失，變成了熱能釋放出來(lái)，周?chē)臍鉁匾簿图眲∩吡恕．?dāng)然，這里的氣體分子極少極少，但是總歸還是可以計(jì)算出溫度的。

先驅(qū)者10號(hào)拍攝的木星，小黑點(diǎn)是木衛(wèi)一的影子

到了1973年的11月29號(hào)，先驅(qū)者10號(hào)距離木星比任何天然衛(wèi)星都要更近了，在這個(gè)距離上隨隨便便拍的照片就比地球上望遠(yuǎn)鏡拍的強(qiáng)。

當(dāng)然，先驅(qū)者10號(hào)是無(wú)法剎車(chē)的，只能飛掠而過(guò)。因?yàn)槟拘菑?qiáng)大的引力，先驅(qū)者10號(hào)繞著木星拐了個(gè)發(fā)夾彎，借著繞到木星后邊的機(jī)會(huì)，先驅(qū)者10號(hào)順便利用和地球的無(wú)線(xiàn)電通信，測(cè)量了木星大氣，而且還順便給木衛(wèi)二和木衛(wèi)三拍了照片。這兩個(gè)衛(wèi)星體積太小，拍的照片比較模糊。但是這兩個(gè)家伙反射率很高是確定無(wú)疑的了。后來(lái)大家才知道，這兩個(gè)小家伙的表面覆蓋著厚厚的冰層，反射率能不高嗎？

先驅(qū)者10號(hào)飛掠而過(guò)

在先驅(qū)者10號(hào)靠近木星的期間，發(fā)現(xiàn)木星本身的輻射很強(qiáng)，是預(yù)期強(qiáng)度的10倍，結(jié)果先驅(qū)者10號(hào)的儀器出現(xiàn)了暫時(shí)的失靈。就在整個(gè)系統(tǒng)徹底報(bào)廢之前的幾分鐘，輻射突然停了，這真是命不該絕，老天爺眷顧。盡管干擾比較嚴(yán)重，先驅(qū)者10號(hào)還是發(fā)送回了500張照片，科學(xué)家們看到了非常清晰的大紅斑。收獲了豐碩的成果。

然后呢，先驅(qū)者10號(hào)借著木星的甩勁兒，一拐彎就奔著下一站土星去了。有關(guān)這檔子事兒，我們下回再說(shuō)。