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已飞225亿公里,旅行者1号在星际空间有新发现,是怎么传回数据的

在1977年旅行者1号、旅行者2号探测器时,刚刚好遇到176年一遇的行星几何排列,所以探测器可以借助这些行星的引力进行加速获得相当快的速度。当这些探测器朝着木星飞近时,木星的引力会提供一个加速度,最后再将这些探测器甩向土星,以此类推,这些探测器可以在短短12年内消耗极少的燃料就可以完成对4颗气态行星的探索,如果没有这样的天时地利,完成4颗气态行星的探索需要30年。旅行者1号探测器已经在2012年率先进入了星际空间,旅行者2号探测器在2018年进入星际空间,随着这些探测器进入星际空间,也逐渐将星际空间的景象展现在我们面前。

星际空间的新发现

按照科学家之前的预测,在太阳系外侧的星际空间应该是一片虚无,星际空间的等离子体密度应该仅为0.002个粒子每立方厘米。但是这两个探测器在进入星际空间以后,传回的数据与我们的假设是相反的。其中旅行者1号探测器方向测得的粒子密度为0.055个粒子每立方厘米,而旅行者2号探测器方向测得的粒子密度为0.039个粒子每立方厘米,这些数据比太阳系内的密度还要高。随着这些探测器不断往外飞,空间密度也在递增。

对于这一个新发现,目前科学家暂时还不清楚原因,有一种可能性是在太阳风的作用下太阳系的边界形成了一圈很密的粒子“墙”。当然,目前也只是一些科学家的推测,毕竟我们对星际空间的认识非常少,在旅行者1号、旅行者2号到来之前,我们可以说是对星际空间一无所知。由于这两个探测器的能量已经不多,预计在5年左右时间就会耗尽,到时候就不再传回数据,所以可能需要发射新的星际探测器才找到这些问题的答案。

这么远,探测器是怎么传回数据的

虽然旅行者1号探测器重达815公斤,但是它的功耗仅为420瓦,无线电信号发射机的功率更低,仅有20瓦左右,大约相当于灯泡的功率。而且随着探测器离我们地球越来越远,如旅行者1号探测器与我们地球的距离已经超过150个天文单位,即大约为225亿公里,传回的信号强度也会严重衰减,当信号到达地球时强度可能仅有100万亿亿分之一瓦。

首先,为了让这些信号精准发射回地球,科学家为旅行者1号探测器安装了直径达3.7米的抛物面增益天线,从照片中我们看到的那个大锅就是天线,不仅旅行者1号探测器有这样的天线,先驱者10、先驱者11号这些探测器也有类似的抛物面增益天线。除此之外,为了让探测器对准地球,还安装了高精度陀螺仪,所以探测器可以准确朝着地球发回数据。当探测器有新发现需要发回地球时,就会将信息调制加载于无线电波上,然后以无线电波的形式以光速传回地球。当我们接收到无线电波后,再将信息提取出来,信号传递就完成了。

从这里可以看得出,只要探测器的无线电信号发射机还能正常运行,信号就可以传回地球,只是强度明显出现了衰减。问题是,这些极为微弱的信号到达地球以后,我们是怎么接受的?那就需要有深空网络才行。

如何接收到这些微弱信号?

为了实现与宇宙深处的探测器进行通讯,NASA建立了深空网络(DSN),这个深空网络由3个地面终端设施组成,这些设施分布在美国加利福尼亚的戈尔德斯敦、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里,它们的经度相隔约120度,可以实现对探测器连续观测、追踪,能够发射信号也能接收信号。由于探测器传回的信号很微弱,所以这些深空站天线口径非常大,如位于澳大利亚的深空站43号(DSS-43)天线直径可以达到70米。

虽然有深空网络这些设施,我们接收探测器传回的信号也是非常困难的。现在旅行者系列探测器只是我们人类走向太阳系外的一个尝试,在未来我们可能会发射更多先进的星际探测器,继续飞往太阳系外。随着这些探测器的距离越来越远,发回的信号强度也会更弱,现有的深空网络可能没法有效实现通讯。看起来,通讯问题可能会限制我们人类的出行,如果没有地面的引导,探测器可能只是星际空间中的一个“漂流瓶”,遇到什么有趣的事情,也没法和我们地面分享。

已飞225亿公里,旅行者1号在星际空间有新发现,是怎么传回数据的

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