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2023 年 12 月 12 日，美國航空航天局（NASA）發布公告稱“旅行者”1 號（Voyager 1）探測器的三臺機載計算機之一——飛行數據系統（FDS）出現故障，開始向地球重復傳輸特定組合的 1 和 0 亂碼，就像“卡住了”一樣。
“旅行者”1號概念圖（圖片來源：NASA）
FDS 用于收集來自科學儀器的數據和有關“旅行者”1 號狀態的工程數據，這些數據會打包，然后由 FDS 的一個子系統——遙測調制裝置（TMU）以 1 和 0 的二進制形式發送回地球。
目前，“旅行者”1 號仍能接收并執行來自地球的命令，但無法將科學和工程數據返回地球。出現故障后，“旅行者”號團隊已經嘗試了重啟和恢復到故障前的狀態，但“旅行者”1 號仍然沒能正常返回數據。
就在 2022 年 5 月，“旅行者”1 號的姿態連接與控制系統（AACS）也曾出現故障，其向任務控制器發送的數據無法反映探測器的真實狀況。后來，工程師團隊找到了問題來源，并通過指令恢復了 AACS 的正常功能。
“旅行者”號上的儀器（圖片來源：NASA）
由于“旅行者”1 號于 1977 年發射，工程師需要仔細閱讀幾十年前留下的文檔才能制定方案。他們需要研判新發射的指令會如何影響“旅行者”1 號運行，避免出現意想不到的后果。
而且，目前“旅行者”1 號距離地球超過 240 億千米，地球上發送的指令需 22.5 小時才能抵達。這也就意味著，工程團隊必須等待 45 小時，才能收到來自“旅行者”1 號的回復，以確定命令是否成功執行。工程團隊表示，接下來可能需要幾周時間，才能找到解決方案。
一切要從“四星聯珠”說起
1965 年，美國加州理工學院（California Institute of Technology）的航空學博士生加里·弗蘭德羅（Gary Flandro）正在 NASA 的噴氣推進實驗室（JPL）兼職。他發現，木星、土星、天王星和海王星將在 20 世紀 70 年代末 80 年代初與地球一起形成一條長弧線。
這個巧合意味著，航天器在經過每顆巨行星時，都能從巨行星的引力中獲得提速。弗蘭德羅計算得出，這種重復引力助推可以把探測器在地球和海王星之間的飛行時間從 30 年縮短至 12 年。而這種行星聯珠現象每 176 年才發生一次，因此必須抓住契機。
為了利用這個百年難遇的機會，NASA 設計了兩個一模一樣的航天器——“旅行者”1 號和“旅行者”2 號，在 1977 年夏天的 15 天內相繼發射。在此之前，只有一個航天器——“水手”10 號（Mariner 10）曾利用引力助推到達過另一個星球。而“旅行者”號不僅需要多次引力助推，還需要將誤差范圍控制在幾十分鐘以內，難度可見一斑。
“水手”10 號（圖片來源：NASA）
為了應對這些挑戰，NASA 的工程師為“旅行者”號的計算機配備了 69 千字節的內存。JPL 的行星科學家琳達·施皮爾克（Linda Spilker）表示：“‘旅行者’號電腦的內存比車門鑰匙扣的還小。”為了有足夠的內存拍攝新圖像，“旅行者”號必須每次將數據發送至地球后刪除原有的數據。
這些數據存儲在“旅行者”號內的一個八軌磁帶存儲器上，再由一個 23 瓦的發射器送回到地球，這差不多就是一個冰箱燈泡的功率。為了彌補發射器功率的不足，兩個“旅行者”號都攜帶了約 3.66 米寬的碟形天線來發送和接收信號。
偉大的旅程
發射 546 天后，“旅行者”1 號于 1979 年 3 月抵達了木星。“旅行者”2 號沿著不同的飛行軌道，也于同年 7 月抵達。它們搭載著光導攝像機，使用紅、綠、藍三色濾光片拍攝全彩圖像。
當“旅行者”號距離木星還有大約 3～4 個月的航程時，它們傳回了木星的第一張照片。照片上，木星的第三大衛星——木衛一（Io）顯出橙黑相間的顏色，這完全出乎人們的意料。科學家一直以為太陽系中所有的衛星都顏色單調且坑坑洼洼，但“旅行者”號帶領大家目睹了木星和土星周圍多彩的衛星景觀。
“旅行者”1 號拍攝到的木衛一圖像（圖片來源：NASA）
“旅行者”號總共拍攝了超過 33000 張木星及其衛星的照片。通過這些照片，科學家發現：木衛一擁有活火山，且火山活動水平是地球上的 10 倍，其最大火山的噴流高度是珠穆朗瑪峰的 30 倍；木衛二（Europa）覆蓋在有裂縫的冰殼下，冰殼約有 100 千米厚。
在土星附近，兩個“旅行者”號分道揚鑣。“旅行者”1 號急速地穿過土星環，飛過土衛六（Titan），然后駛出太陽系行星平面；“旅行者”2 號則獨自繼續前往天王星和海王星。在進入銀河系星際空間之前，“旅行者”1 號拍攝了最后一組圖像。
1990 年情人節，“旅行者”1 號將攝像頭對準了內太陽系，拍攝了這最后的60張照片。其中最令人難忘的是天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）稱作“暗淡藍點”的照片，即有史以來拍攝距離最遙遠（超過 61 億千米）的地球肖像。由于相機光學元件反射的強太陽光掩蓋了整張圖像，地球在圖像中幾乎不可見，甚至沒有占據一個完整的像素。
《暗淡藍點》（圖片來源：NASA）
飛向星際空間
每天，“旅行者”號都會再飛行 3～4 光秒的距離。“旅行者”號與地球唯一的聯系是 NASA 的深空探測網（Deep Space Network），這是一個由分布在全球的三個跟蹤綜合體構成的網絡，能夠在地球旋轉時與航天器進行不間斷的通信。
隨著“旅行者”號在空間和時間上離我們越來越遠，它們的信號也越來越微弱。地球是一個嘈雜的地方，電視、手機等都會產生噪音。因此，我們越來越難接收到來自“旅行者”號的信號了。盡管這些信號無比微弱，它帶來的發現已經遠遠超出了天文學家的預期。
和所有恒星一樣，太陽不斷發射出帶電粒子和磁場，構成了太陽風。太陽風以高超音速從太陽中吹出，就像一個充氣的氣球，形成天文學家所說的日球層（heliosphere）。在“旅行者”號之前，科學家對星際空間邊界的距離，即所謂日球層頂（heliopause）的距離，估算差異很大。
1993 年，物理學家唐納德·格尼特（Donald Gurnett）經過計算，認為日球層頂的距離應為 116～117 個天文單位（AU，1AU 是指地球到太陽的平均距離，相當于 1.5 億千米），卻未能得到同行認可。地面團隊一直等待著“旅行者”號抵達日球層頂，并檢測到與日球層磁場方向不同的星際磁場。
“旅行者”號和日球層（圖片來源：NASA）
2012 年 8 月 25 日，“旅行者”1 號終于越過了日球層頂，這個距離與格尼特的估算基本相符。它也檢測到了科學家所預期的等離子體密度躍升，然而，卻并未檢測到周邊磁場方向的變化。2018 年 11月，當“旅行者”2 號抵達星際邊時，同樣也沒能檢測到這種變化，并且其抵達的時間與任何理論模型的預測都不相符。
因此，“旅行者”號為理論物理學家提供了真實的磁場數據，使得關于日球層和星際空間相互作用的理論模型變得更完善也更復雜。而且，這些星際探測器還能幫助科學家解答日球層最基本的問題之一：如果從日球層的外部來觀測，日球層的結構到底是怎樣的呢？
現在，“旅行者”號上正常運轉的儀器已經越來越少。
所有這些儀器由同一個裝置提供電力，它將钚放射性衰變產生的熱量轉換為電能。隨著輸出功率每年減少 4 瓦，NASA 不得不采用了分流模式。幾年前，工程師已經關閉了“旅行者”號上宇宙線探測器的加熱器。
“旅行者”號大事年表（圖片來源：NASA）
即便未來某天，“旅行者”1 號處于完全靜默的狀態，它的飛行旅程仍將繼續。16700 年后，它將經過離我們最近的恒星——半人馬座比鄰星。隨后，它還會繼續在銀河系中繞行數百萬年。即便太陽、地球都不復存在了，它依然在銀河系中環游。
也許，在未來的某個時刻，會有星際中的非人類生物接收到“旅行者”號傳出的最后一條信息——“金唱片”。它們將通過“金唱片”了解“旅行者”號從何而來，了解地球上的生物、風景、聲音和文化，以及一條來自美國前總統吉米·卡特（Jimmy Carter）的訊息：
“我們向宇宙傳遞這條訊息，希望有一天，我們在解決了所面臨的困難之后，能夠加入銀河系文明的共同體。這份記錄將把我們的希望、我們的決心、我們的善意傳遍廣闊而又令人敬畏的宇宙。”
“金唱片”（圖片來源：NASA）
參考文獻
[1]https://blogs.nasa.gov/sunspot/2023/12/12/engineers-working-to-resolve-issue-with-voyager-1-computer/
[2]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/nasas-voyager-1-is-glitching-sending-nonsense-from-interstellar-space-180983448/
[3]https://www.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-2/engineers-solve-data-glitch-on-nasas-voyager-1/
[4]https://edition.cnn.com/2023/12/13/world/voyager-1-computer-issue-scn/index.html
[5]《環球科學》2022年8月刊：《“旅行者”號：最后的告別》
策劃制作
來源｜環球科學（id:huanqiukexue）
撰文 | 黃雨佳
責編丨王夢如
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