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

其實，這個探測計劃并不是一時興起，這跟天文學上的一個巧合有關系。從70年代末開始，一直到80年代初，會出現(xiàn)一次9星連珠的情況，那年頭，冥王星還沒有被降級，所以大家都認為太陽系有9大行星。9星連珠也就意味著，太陽系的幾顆大行星會排列在太陽的一側，盡管沒辦法完全排成一條直線，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。但是這對行星探測器來講，卻是千載難逢的機會，175年才有這么一回。因為這就意味著，只要把握好發(fā)射時機，控制好軌道，就可以利用一顆探測器拜訪好幾顆行星。

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

NASA后來采納了這個建議，NASA的艾姆斯研究中心提出了一個銀河系木星探測器計劃，發(fā)射兩顆探測器，一前一后，穿過小行星帶探索木星。因為借助了木星的引力彈弓效應，這兩顆探測器不會成為繞著太陽轉(zhuǎn)圈圈的人造行星，而是一直向太陽系外飛去，永不回頭了。

一直到1969年2月份，NASA才批準了這個計劃，開始正式執(zhí)行。NASA就把當初那個先驅(qū)者計劃的名字拿出來了。編號往下排，輪到10和11了，于是這兩顆探測器叫做先驅(qū)者10號和11號。

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

先驅(qū)者10號

先驅(qū)者10號和11號交給艾姆斯研究中心負責運行。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，因為這顆探測器要在星際空間飄很多年，這個壽命不是金星火星探測器能比的。

木星和土星的軌道距離太遠了，如果用太陽能電池板，電力可能會不夠用。能源問題不好解決。另外，正因為木星軌道實在太遠了，需要非常強大的火箭，才能獲得足夠的速度，速度慢了，時間太長。那么用什么火箭能發(fā)射呢？

探測器總要調(diào)整姿態(tài)，總要進行軌道修正，所以探測器必須帶小發(fā)動機，攜帶液體燃料，如何保證燃料能保存那么長時間？

接下來就是通信問題了，木星軌道如此遙遠，發(fā)射的無線電信號如何精確的對準地球，地面上要用多大一口鍋才能接收那么微弱的信號，這也是一個前所未有的難題。這些難題都要一一解決，時間不多了。

架設在本體之外的核電池

首先是能源選擇問題，既然木星軌道太陽光太弱，那就只能選用核電池。也就是利用钚238作為能源，上次我們詳細講過核電源的材料問題。先驅(qū)者10號選用了4臺同位素熱電源。利用钚238自發(fā)衰變釋放出熱量，然后利用溫差來發(fā)電。因為這東西會發(fā)熱，也為了讓放射源盡量不干擾其他的儀器，4個電源分兩組，用支架伸出探測器之外，支架的夾角是120度，就好像探測器長了兩個犄角一樣。

先驅(qū)者10號大概是個六邊型的盒子，盒子上邊是一口大鍋，也就是高增益定向天線。為了加強信號，這口鍋的直徑達到了2.74米，跟過去家用的衛(wèi)星電視天線差不多。不能再大了，再大裝不進火箭整流罩。

先驅(qū)者10號從側面伸出三根桿子，兩根短粗的頂端掛的是核電池。又細又長的那一根桿子頂端裝的是磁場強度傳感器，這東西怕干擾，盡量撐遠一點。

除了測磁場，高能宇宙射線總要測量吧。紅外紫外線總要測吧。還有蓋格計數(shù)器，微流星體計數(shù)器，帶電粒子測量儀，輻射測量儀，偏光望遠鏡等等儀器設備?？傊皇菧y帶電粒子的，就是測光的。

偏光望遠鏡其實就是照相機，口徑1英寸。里邊配備了紅光和藍光濾鏡，可以拍攝彩色照片。有人說還差綠的，沒關系，不帶濾鏡拍攝的是黑白圖像，通過算法扣除紅色和藍色，可以反算出綠色。

探測器裝了6個姿態(tài)調(diào)整發(fā)動機，內(nèi)部裝了一個直徑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。能夠長期在太空保存。當然為了抗腐蝕，燃料箱需要皮厚一點，管子和閥門需要特別的材料。其他也就沒什么特殊的了。

總之，這個探測器從天線頂端到底座高度2.9米，天線直徑2.74米，這個探測器的輪廓尺寸就這么大，重量達到258公斤，跟一輛重型摩托車差不多。因為火箭能力有限，探測器不能太重。不能太重，還要經(jīng)久耐用，這本身就是一對矛盾。艾姆斯研究中心的技術人員簡直是螺絲殼里做道場，盡量節(jié)省每一克的重量。

即便是如此節(jié)省，先驅(qū)者10號還是攜帶了一樣看似多余的東西，這是一個鋁制鍍金的牌子，被固定在了探測器的殼子上。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ipad mini稍微大了那么一點。

牌子上左上角刻了氫原子的能級躍遷圖。這表示人類就是用這種方法來測量時間的。中性的氫原子時時刻刻都在往外發(fā)射頻率為1420.405MHz的無線電信號，這就是射電天文學非常重要的一條譜線。大家注意，我們?nèi)粘Ｊ褂玫臒o線電頻率，基本上都避開了這個波段，就是為了盡量不給射電天文觀測造成干擾。

因為氫元素是宇宙之中最豐富的元素了。中性不帶電的氫原子又是最典型的一個狀態(tài)。我們的銀河系里就有大量的氫元素，所以也會在1420.405兆赫上發(fā)出無線電信號。我們通過觀測中性氫信號強度，就可以描繪出銀河系的形狀?？梢姽獠ǘ文芸吹降姆秶h比不上射電波段寬廣。

當然，我們可以觀察銀河各個角度的中性氫信號的多普勒頻移，確定銀河系各個懸臂的轉(zhuǎn)速。這也是測量和計算銀河系整體轉(zhuǎn)速的一個有效手段。測轉(zhuǎn)速有啥用？你去復習復習暗物質(zhì)是怎么發(fā)現(xiàn)的。

先驅(qū)者號的鍍金鋁牌

你別看牌子左上角上只畫了兩個圓圈表示氫原子，其實設計者是有深意的，這事兒很重要。

左邊中間畫了14條放射線，中心代表地球，線的角度和長度代表地球到周圍14顆最亮脈沖星的位置。這些線也不是連續(xù)線條，而是像電報那樣由短線和長線組成，這其實是二進制編碼，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，表示太陽系的9大行星，還畫了一條曲線，從第三顆行星上延伸出來，夸過最大的一顆行星以后拐了個大彎，這表示先驅(qū)者10號的飛行路徑。

牌子右邊畫了一對裸體的男女，表達人類的問候，人身邊的弧線是先驅(qū)者10號探測器的輪廓。和人體身高的比例完全符合實際。

這牌子是干啥用的，其實就是在向外星智慧生命自報家門，就是高速外星人，時間如何計算，以我們?nèi)祟愑嫊r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。接下來的內(nèi)容就介紹我們是誰，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，別說外星人了。再說啦，這東西哪怕飛出去幾百萬年，都未必碰得上一顆行星，這顆行星還未必存在智慧生命，您這心操得有點太遠了吧。這是誰出的主意？

埃里克·博格斯

想出這個創(chuàng)意的人叫“埃里克·博格斯”，他是《基督教科學箴言》的記者，也是專欄作家。而且還是英國皇家天文學會的會員，以及美國宇航協(xié)會的會員。他為先驅(qū)者計劃寫了很多文章。和當時在NASA工作的卡爾薩根特別熟悉。他把自己這個想法一說，卡爾薩根馬上來了興趣。是卡爾薩根打報告申請，在先驅(qū)者10號上邊裝了這么個牌子。

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人設計的。這二位可是大名鼎鼎啊，德雷克是專門研究無線電天文學的，他主持了搜尋外星人的無線電信號，還主持了阿雷西博天文臺的擴建。這位也是個強烈的外星人愛好者。牌子上那兩個裸體小人呢，那是卡爾薩根的妻子畫的?？査_根的第二任妻子剛好是個藝術家。

這個牌子一式兩份，另一個裝在先驅(qū)者11號上?？査_根干這事兒上癮啊，他就喜歡諸如此類的行為藝術。在他的推動之下，旅行者一號和二號已經(jīng)不裝金屬牌子了，改成多媒體唱片了，不過這是后話了。

卡爾薩根在波士頓市政廳門口舉著先驅(qū)者10號的金屬牌

1972年的3月3號，先驅(qū)者10號發(fā)射升空。這一次用的還是擎天神火箭+半人馬座上面級。但是為了增加推力，在半人馬座上面級上邊又裝了一個Star-37E固體火箭。用這個家伙完成先驅(qū)者10號的最后加速，就靠這東西臨門一腳，足以把探測器送出太陽系。

火箭發(fā)射很成功，探測器被加速到14.4公里每秒遠遠超過了第二宇宙速度。11個小時之后，先驅(qū)者10號就已經(jīng)路過了月球，由此可見這家伙飛得有多快。為了穩(wěn)定自身的姿態(tài)，先驅(qū)者10號以每秒轉(zhuǎn)一圈的速度快速旋轉(zhuǎn)。等到三根拉桿伸出來了，轉(zhuǎn)速也就降低到了一分鐘4.8圈。這個過程符合角動量守恒。反正先驅(qū)者10號使用核電池，不需要太陽能電池，因此也就沒有對準太陽的必要。只要軸線上的那口大鍋能對準地球就行了，可以采用自旋穩(wěn)定。

先驅(qū)者10號需要的總能量是100瓦左右。出發(fā)的時候，電池的功率是155瓦。根據(jù)計算，等飛到木星的時候，功率會衰減到140瓦，依然是富富有余的。30年后，大概會衰減到80%，但是用來把熱能轉(zhuǎn)化成電能的熱電偶老化更快，估計只能提供60%的電力了，到那時候，儀器只能選擇性的開啟，無法同時開啟了。不過呢，這已經(jīng)遠遠超出了NASA當時的計劃。NASA覺得能堅持兩年就夠用，當然時間長了更好。但是沒想到堅持了那么久。

先驅(qū)者10號的油畫

先驅(qū)者10號就是這么一路轉(zhuǎn)著，奔著木星就去了。10天以后，探測器上的儀器開機了。先驅(qū)者號成了第一個探測到行星際氦原子的探測器。還捕捉到了來自太陽風的鋁離子和鈉離子。發(fā)射了僅僅12周，先驅(qū)者10號就穿過了火星軌道。12個禮拜不就是3個月嘛。過去火星探測器都要走7個月呢。先驅(qū)者10號跑得比別人快多了。

1972年的7月15號，先驅(qū)者10號進入小行星帶，成為人類第一個進入小行星帶的航天器。到了8月7號，先驅(qū)者號探測到一次猛烈的太陽風暴，而且探測到了風暴產(chǎn)生的激波，先驅(qū)者9號也參與了觀測。大家別忘了，我們以前提到過這個先驅(qū)者9號，這是個廉價低配版的太陽系探測器，壽命長著呢。

在穿越小行星帶期間，先驅(qū)者10號上的探測塵埃顆粒和微流星體的探測器沒有收到多少信號，說明小行星帶還是非?？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，其實真實情況根本不是這樣。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號的路徑

當然了，行星際空間也不是完全真空，多多少少還有點物質(zhì)。我們太陽系內(nèi)大部分物質(zhì)都集中在一個扁平的盤子上，這個扁盤子上的物質(zhì)橫豎是要比其他真空環(huán)境要多那么一點點，多多少少會多反射那么一點點光。這一點點光是可以被觀測到的，這就是所謂的“黃道光”。因為從地球上觀測，這些物質(zhì)的反光總是集中在黃道帶上。先驅(qū)者10號也對這些顆粒做了統(tǒng)計。

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

一直到11月份，先驅(qū)者10號才接近木星的范圍。這個地方距離木星2,500萬公里。地面艾姆斯中心的研究團隊發(fā)出指令，開始測試先驅(qū)者10號的成像系統(tǒng)，也就是說打開望遠鏡，準備拍照了。這時候的木星在照相機畫面上，還是一個綠豆大小的小光點。拍到的照片要花好久好久才能傳回地面，因為這個時候，探測器和地面的通訊速率是256bit/秒。隨著距離越來越遠，通信速率還會進一步下降，因為信號變得越來越微弱。

先驅(qū)者10號拍到的木星拼在一張圖上

就這樣，先驅(qū)者10號不斷的發(fā)回照片，大家從圖像上看到木星越來越大，越來越大，也就是說探測器距離木星越來越近了。又過了20天的樣子。先驅(qū)者10號探測到的太陽風粒子的數(shù)目急劇減少，周圍的溫度升高了100倍。這說明，先驅(qū)者10號已經(jīng)進入到了木星磁場邊緣了。太陽風高能帶電粒子遇到木星的磁場就會被迫拐彎繞著走，就不得不急劇減速。動能就會損失，變成了熱能釋放出來，周圍的氣溫也就急劇升高了。當然，這里的氣體分子極少極少，但是總歸還是可以計算出溫度的。

先驅(qū)者10號拍攝的木星，小黑點是木衛(wèi)一的影子

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

當然，先驅(qū)者10號是無法剎車的，只能飛掠而過。因為木星強大的引力，先驅(qū)者10號繞著木星拐了個發(fā)夾彎，借著繞到木星后邊的機會，先驅(qū)者10號順便利用和地球的無線電通信，測量了木星大氣，而且還順便給木衛(wèi)二和木衛(wèi)三拍了照片。這兩個衛(wèi)星體積太小，拍的照片比較模糊。但是這兩個家伙反射率很高是確定無疑的了。后來大家才知道，這兩個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號飛掠而過

在先驅(qū)者10號靠近木星的期間，發(fā)現(xiàn)木星本身的輻射很強，是預期強度的10倍，結果先驅(qū)者10號的儀器出現(xiàn)了暫時的失靈。就在整個系統(tǒng)徹底報廢之前的幾分鐘，輻射突然停了，這真是命不該絕，老天爺眷顧。盡管干擾比較嚴重，先驅(qū)者10號還是發(fā)送回了500張照片，科學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號借著木星的甩勁兒，一拐彎就奔著下一站土星去了。有關這檔子事兒，我們下回再說。