问题

旅行者号为什么没有探测柯伊伯带天体?

回答
旅行者号(Voyager)探索宇宙的宏伟任务,无疑是人类历史上最伟大的科学壮举之一。它向我们展示了太阳系外行星的壮丽景色,并向宇宙深处发送了充满地球文明信息的水手号太空探测器。然而,当谈及柯伊伯带(Kuiper Belt)这些太阳系外围冰封世界的探测时,旅行者号似乎留下了些许遗憾。为什么这个曾经触及如此多遥远天体的探测器,却没有真正深入柯伊伯带腹地,近距离考察那些柯伊伯带天体呢?这其中有着几个关键的因素,既有设计上的限制,也有时机上的巧合,更有对当时科学认知水平的考量。

首先,我们得从旅行者号最初的设计目标说起。旅行者1号和2号的诞生,是为了一个“行星际大冲刺”的机会。那是一个天体行星排列的特殊时期,四颗外行星——木星、土星、天王星和海王星——恰好排成了一个罕见的“行星连珠”状态。这种排列使得探测器可以通过引力弹弓效应,利用一颗行星的引力进行加速和变轨,从而依次拜访多颗行星,极大地节省了燃料和时间。旅行者号的“大旅行”路线,就是围绕这个精心设计的引力辅助轨道展开的,目标是最大程度地利用这次千载难逢的行星排列机会,对我们太阳系中的巨行星及其卫星进行详尽的科学探测。

当时,天文学界对柯伊伯带的认知还非常有限。柯伊伯带,这个从海王星轨道外延伸到距离太阳约50天文单位(AU)的区域,在20世纪80年代初,也就是旅行者号任务的关键执行阶段,才刚刚进入科学家的视野,并且其存在性主要基于理论推测和少量观测证据。它的具体规模、内部结构,以及其中究竟有多少天体,有多少是具有研究价值的柯伊伯带天体(KBOs),都远未清晰。即便是后来,直到1992年,才首次发现了明确的柯伊伯带天体——“QB1”。柯伊伯带天体的广泛发现和深入研究,很大程度上是建立在更先进的望远镜技术,如哈勃太空望远镜和后来专门的地面观测项目的基础上的。

因此,旅行者号的“设计蓝图”并未包含对柯伊伯带天体的近距离探测任务。它的主要科学仪器和设计考量,都集中在外行星及其卫星的磁层、大气、内部结构以及火山活动等方面。虽然旅行者号最终以极高的速度离开了太阳系的行星区域,但它的“既定航线”已经规划完毕,并且它的主要任务就是对那些触手可及的巨行星进行科学考察。

其次,即便旅行者号的航线允许,要去探测柯伊伯带天体也面临着巨大的技术和时间挑战。柯伊伯带位于海王星轨道之外,那里是一个寒冷、黑暗且空旷的区域。要从旅行者号当时的速度和轨道,改变航向并深入柯伊伯带,意味着需要极大的能量和时间。而且,柯伊伯带天体本身的特性也使得探测变得困难。它们普遍体积极小,反照率低,在远离太阳的黑暗环境中,想要发现并精确“捕捉”到它们,需要非常先进的探测技术和精准的导航能力,这在旅行者号任务初期是难以实现的。

再者,我们要考虑的是“时机”问题。旅行者号的发射时间(1977年)和探测路线,是为了抓住那次独特的天体排列机会。一旦踏上了这条“引力弹弓”的轨道,要再进行大幅度的改变,需要耗费大量的燃料,而旅行者号的燃料储备是有限的,并且主要用于维持姿态和科学仪器的运行,而非大规模的轨道调整。即使理论上可能,从工程和经济的角度来说,也需要对整个任务进行重新规划和审批,并且要承担极大的风险。

更重要的是,在旅行者号的时代,我们对于柯伊伯带的科学价值的认知,远不如今天这么深刻。我们知道那里是太阳系形成初期的“遗迹”,蕴藏着太阳系早期历史的线索,但当时更迫切、更具吸引力的目标还是那些色彩斑斓、充满神秘的巨行星及其卫星。例如,土卫二(恩克拉多斯)的冰火山喷发、土卫六(泰坦)的大气层,这些都是旅行者号带来革命性发现的例子,它们在当时无疑是更具优先级的科学目标。

当然,旅行者号并没有完全“忽略”柯伊伯带。当它飞越海王星之后,它的飞行轨迹使其自然而然地朝着太阳系的外围,也就是柯伊伯带的方向飞去。旅行者2号在1989年飞越海王星时,其轨迹使其向南极方向飞行;而旅行者1号则在1977年11月飞越土星后,利用土星的引力,将其引向了“向上”的轨道,飞离了黄道面,朝向了更加广阔的星际空间。尽管如此,它们的“目标”始终是完成对巨行星的探测,然后继续前进。

总而言之,旅行者号没有探测柯伊伯带天体,并非因为它的“懒惰”或“忽视”,而是基于当时科学认知的局限、技术条件的限制、任务设计的优先级以及那次独特的天体排列所带来的“机会窗口”。旅行者号的任务是一个在特定历史时期、在当时最先进的技术条件下,为了最大化科学回报而精心设计的“旅程”。它出色地完成了它的主要使命,并为我们打开了通往星际空间的大门。而对柯伊伯带天体的深入探测,则成为了后续任务,如“新视野号”(New Horizons)等,去完成的更具针对性的科学任务,它们在今天,凭借更先进的技术和更清晰的科学目标,正在逐步揭开柯伊伯带的神秘面纱。

网友意见

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这是一个挺有意思的问题。

旅行者1号和2号发射于1977年,到1989年左右就已经飞出了平均30 AU的海王星轨道。但直到三十年后,2019年1月1日,离开冥王星多时的新视野号探测器才终于近距离探访了柯伊伯带小天体2014 MU69(昵称“天涯海角”,官方命名“天空”)——这是人类的探测器首次探访柯伊伯带小天体。(前情提要:如何评价美国「新视野号」飞越太阳系边缘的「天涯海角」?


那为什么明明是旅行者1号和2号飞在前面啊,它们却没有探访柯伊伯带天体呢?!新视野号的PI(项目负责人)Alan Stern表示,这是他最经常被公众问到的问题之一[1]。


原因其实很简单,那就是…那时候压根还不知道有柯伊伯带这玩意儿

1989年8月,一生拍遍了外太阳系四大行星的旅行者2号千帆过尽,自此没有再使用它的相机。

1990年的情人节,旅行者1号在飞到距离地球约40.5个天文单位(60亿公里,比冥王星的轨道还要远)的时候,为太阳系拍摄了最后一套全家福,其中就包括著名的“暗淡蓝点”——太阳系中渺小的地球。

记住这个时间点,1990年后,2艘旅行者号就都已经永远停止了相机的工作

但“后知后觉”的人类啥时候才知道柯伊伯带的存在的呢…1992年…那时候旅行者1号已经基本飞出柯伊伯带了…

也就是说,当旅行者号在柯伊伯带中飞行的时候,人们还不知道那是柯伊伯带,也几乎不知道柯伊伯带有什么天体可以探测,除了冥王星。

补充一下,有回答说早在上个世纪五六十年代就知道柯伊伯带存在了,私以为这是一个挺常见的混淆科学概念的认知。确实,早上个世纪五六十年代人们已经有了“柯伊伯带”这个概念,但直到上个世纪八十年代,人类对柯伊伯带的存在都还停留在“猜测”和“假说”上,直到1987年之后,这个假说才开始慢慢有了观测上的实锤,到1992年才真正发现第一个疑似柯伊伯带天体的东西1992 QB1。

就像现在我们一直有第九大行星Planet X的概念(太阳系可能还存在未被发现的行星吗?),也一直没有停止寻找,但只要一天不发现,又怎么能说已经知道这个东西存在了呢,又怎么谈得上为这样一个概念而考虑发射探测器呢。


那话说回来,旅行者号又为什么没有去探访冥王星呢?

对旅行者2号来说,飞掠海王星之后的轨道已经不允许它再飞往冥王星了。

而旅行者1号在离开土星之后,倒确实曾经考虑过去造访冥王星,最终,科学家们否决了这个方案,转而选择前往神秘的、同时也是更容易抵达的土卫六一探究竟。

于是最终,探访冥王星的重任也同样留给了二十多年后的新视野号探测器。


退一步说,即使那时候人们已经知道柯伊伯带的存在了,旅行者号能像新视野号一样飞掠并探测一颗像“天涯海角”那样的小天体么?

还是不行。

寻找探测器会路过的天体是很难的,因为合适的目标天体太少了,别说冥王星那样很大个儿的了,天涯海角那样直径30多公里的天体都很难找。

为了找到这么小这么暗的会经过的小天体,需要哈勃望远镜出马才行。事实上,新视野号的探访目标“天涯海角”,就是哈勃空间望远镜2014年找到的。

但问题是,哈勃望远镜一开工就先天不足,拍照完全不行…直到1993年12月奋进号航天飞机的宇航员真人上去维修才修好…这时候…旅行者1号已经飞得更远了…


再退一步,即使那时候哈勃望远镜没坏,能找到天涯海角那样的探测目标么?

还是不行。

那时候的哈勃望远镜还没有足够灵敏到能探测到天涯海角那么小的天体,还需要更先进更灵敏的广角相机才行——这要等到2009年阿特兰蒂斯号航天飞机宇航员完成的第五次哈勃维修,替换上第三代广角相机(WFC3)之后才能办到。


再退一步,即使那时候哈勃望远镜已经足够灵敏了,能找到天涯海角那样的探测目标么?

不是绝对不行,但很困难。

因为柯伊伯带天体主要集中在黄道面上,而旅行者1号和2号在完成预定目标之后早已飞离了黄道面,所以它们可能经过的柯伊伯带天体就更加少了。


再退一步,即使能找到天涯海角那样的探测目标,能像新视野号一样拍摄这颗天体么?

还是不行。

事实上,旅行者1号和2号携带的仪器比新视野号还是弱太多了,尤其是相机。在2搜旅行者号发射的时代,如今已经非常普遍的CCD(Charge-coupled Device)相机还没有广泛投入使用,因此旅行者号使用的还是老式的摄像管(Vidicon tube)


以这个拍照质量,即使旅行者号飞掠了天涯海角这样小的小天体(长36公里),也根本没有能力像新视野号那样把它的表面拍得那么清楚,让科学家们能研究它的细节。


总之,不用因为人类“后知后觉”了几年而惋惜,因为即使知道,也没有什么用…

因为…科技树还没点到位啊…



拓展阅读

终于,旅行者2号也进入了星际空间

2019的元旦,收到来自“天涯海角”的问候

您有一份来自“天涯海角”的礼物,需要查收两年

本来以为是颗花生,结果居然是块…煎饼?!

大家好,我叫“遥遥”,我也不知道这记录能保持多久…

有探索,也有发现,有新生,也有离别——这是2018年天文大事记(修订版)


参考

[1] blogs.nasa.gov/pluto/20

[2] photojournal.jpl.nasa.gov

[3] Hubble Survey Finds Two Kuiper Belt Objects to Support New Horizons Mission

hubblesite.org/image/34

[4] digicamhistory.com/Spac

[5] nasa.gov/feature/new-ho

[6] voyager.jpl.nasa.gov/fr

[7] pluto.jhuapl.edu/News-C

[8] voyager.jpl.nasa.gov/fr


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