距离人类最远的探测器，正在向地球发送一串重复的乱码
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2023 年 12 月 12 日，美国航空航天局（NASA）发布公告称“旅行者”1 号（Voyager 1）探测器的三台机载计算机之一——飞行数据系统（FDS）出现故障，开始向地球重复传输特定组合的 1 和 0 乱码，就像“卡住了”一样。
“旅行者”1号概念图（图片来源：NASA）
FDS 用于收集来自科学仪器的数据和有关“旅行者”1 号状态的工程数据，这些数据会打包，然后由 FDS 的一个子系统——遥测调制装置（TMU）以 1 和 0 的二进制形式发送回地球。
目前，“旅行者”1 号仍能接收并执行来自地球的命令，但无法将科学和工程数据返回地球。出现故障后，“旅行者”号团队已经尝试了重启和恢复到故障前的状态，但“旅行者”1 号仍然没能正常返回数据。
就在 2022 年 5 月，“旅行者”1 号的姿态连接与控制系统（AACS）也曾出现故障，其向任务控制器发送的数据无法反映探测器的真实状况。后来，工程师团队找到了问题来源，并通过指令恢复了 AACS 的正常功能。
“旅行者”号上的仪器（图片来源：NASA）
由于“旅行者”1 号于 1977 年发射，工程师需要仔细阅读几十年前留下的文档才能制定方案。他们需要研判新发射的指令会如何影响“旅行者”1 号运行，避免出现意想不到的后果。
而且，目前“旅行者”1 号距离地球超过 240 亿千米，地球上发送的指令需 22.5 小时才能抵达。这也就意味着，工程团队必须等待 45 小时，才能收到来自“旅行者”1 号的回复，以确定命令是否成功执行。工程团队表示，接下来可能需要几周时间，才能找到解决方案。
一切要从“四星联珠”说起
1965 年，美国加州理工学院（California Institute of Technology）的航空学博士生加里·弗兰德罗（Gary Flandro）正在 NASA 的喷气推进实验室（JPL）兼职。他发现，木星、土星、天王星和海王星将在 20 世纪 70 年代末 80 年代初与地球一起形成一条长弧线。
这个巧合意味着，航天器在经过每颗巨行星时，都能从巨行星的引力中获得提速。弗兰德罗计算得出，这种重复引力助推可以把探测器在地球和海王星之间的飞行时间从 30 年缩短至 12 年。而这种行星联珠现象每 176 年才发生一次，因此必须抓住契机。
为了利用这个百年难遇的机会，NASA 设计了两个一模一样的航天器——“旅行者”1 号和“旅行者”2 号，在 1977 年夏天的 15 天内相继发射。在此之前，只有一个航天器——“水手”10 号（Mariner 10）曾利用引力助推到达过另一个星球。而“旅行者”号不仅需要多次引力助推，还需要将误差范围控制在几十分钟以内，难度可见一斑。
“水手”10 号（图片来源：NASA）
为了应对这些挑战，NASA 的工程师为“旅行者”号的计算机配备了 69 千字节的内存。JPL 的行星科学家琳达·施皮尔克（Linda Spilker）表示：“‘旅行者’号电脑的内存比车门钥匙扣的还小。”为了有足够的内存拍摄新图像，“旅行者”号必须每次将数据发送至地球后删除原有的数据。
这些数据存储在“旅行者”号内的一个八轨磁带存储器上，再由一个 23 瓦的发射器送回到地球，这差不多就是一个冰箱灯泡的功率。为了弥补发射器功率的不足，两个“旅行者”号都携带了约 3.66 米宽的碟形天线来发送和接收信号。
伟大的旅程
发射 546 天后，“旅行者”1 号于 1979 年 3 月抵达了木星。“旅行者”2 号沿着不同的飞行轨道，也于同年 7 月抵达。它们搭载着光导摄像机，使用红、绿、蓝三色滤光片拍摄全彩图像。
当“旅行者”号距离木星还有大约 3～4 个月的航程时，它们传回了木星的第一张照片。照片上，木星的第三大卫星——木卫一（Io）显出橙黑相间的颜色，这完全出乎人们的意料。科学家一直以为太阳系中所有的卫星都颜色单调且坑坑洼洼，但“旅行者”号带领大家目睹了木星和土星周围多彩的卫星景观。
“旅行者”1 号拍摄到的木卫一图像（图片来源：NASA）
“旅行者”号总共拍摄了超过 33000 张木星及其卫星的照片。通过这些照片，科学家发现：木卫一拥有活火山，且火山活动水平是地球上的 10 倍，其最大火山的喷流高度是珠穆朗玛峰的 30 倍；木卫二（Europa）覆盖在有裂缝的冰壳下，冰壳约有 100 千米厚。
在土星附近，两个“旅行者”号分道扬镳。“旅行者”1 号急速地穿过土星环，飞过土卫六（Titan），然后驶出太阳系行星平面；“旅行者”2 号则独自继续前往天王星和海王星。在进入银河系星际空间之前，“旅行者”1 号拍摄了最后一组图像。
1990 年情人节，“旅行者”1 号将摄像头对准了内太阳系，拍摄了这最后的60张照片。其中最令人难忘的是天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）称作“暗淡蓝点”的照片，即有史以来拍摄距离最遥远（超过 61 亿千米）的地球肖像。由于相机光学元件反射的强太阳光掩盖了整张图像，地球在图像中几乎不可见，甚至没有占据一个完整的像素。
《暗淡蓝点》（图片来源：NASA）
飞向星际空间
每天，“旅行者”号都会再飞行 3～4 光秒的距离。“旅行者”号与地球唯一的联系是 NASA 的深空探测网（Deep Space Network），这是一个由分布在全球的三个跟踪综合体构成的网络，能够在地球旋转时与航天器进行不间断的通信。
随着“旅行者”号在空间和时间上离我们越来越远，它们的信号也越来越微弱。地球是一个嘈杂的地方，电视、手机等都会产生噪音。因此，我们越来越难接收到来自“旅行者”号的信号了。尽管这些信号无比微弱，它带来的发现已经远远超出了天文学家的预期。
和所有恒星一样，太阳不断发射出带电粒子和磁场，构成了太阳风。太阳风以高超音速从太阳中吹出，就像一个充气的气球，形成天文学家所说的日球层（heliosphere）。在“旅行者”号之前，科学家对星际空间边界的距离，即所谓日球层顶（heliopause）的距离，估算差异很大。
1993 年，物理学家唐纳德·格尼特（Donald Gurnett）经过计算，认为日球层顶的距离应为 116～117 个天文单位（AU，1AU 是指地球到太阳的平均距离，相当于 1.5 亿千米），却未能得到同行认可。地面团队一直等待着“旅行者”号抵达日球层顶，并检测到与日球层磁场方向不同的星际磁场。
“旅行者”号和日球层（图片来源：NASA）
2012 年 8 月 25 日，“旅行者”1 号终于越过了日球层顶，这个距离与格尼特的估算基本相符。它也检测到了科学家所预期的等离子体密度跃升，然而，却并未检测到周边磁场方向的变化。2018 年 11月，当“旅行者”2 号抵达星际边时，同样也没能检测到这种变化，并且其抵达的时间与任何理论模型的预测都不相符。
因此，“旅行者”号为理论物理学家提供了真实的磁场数据，使得关于日球层和星际空间相互作用的理论模型变得更完善也更复杂。而且，这些星际探测器还能帮助科学家解答日球层最基本的问题之一：如果从日球层的外部来观测，日球层的结构到底是怎样的呢？
现在，“旅行者”号上正常运转的仪器已经越来越少。
所有这些仪器由同一个装置提供电力，它将钚放射性衰变产生的热量转换为电能。随着输出功率每年减少 4 瓦，NASA 不得不采用了分流模式。几年前，工程师已经关闭了“旅行者”号上宇宙线探测器的加热器。
“旅行者”号大事年表（图片来源：NASA）
即便未来某天，“旅行者”1 号处于完全静默的状态，它的飞行旅程仍将继续。16700 年后，它将经过离我们最近的恒星——半人马座比邻星。随后，它还会继续在银河系中绕行数百万年。即便太阳、地球都不复存在了，它依然在银河系中环游。
也许，在未来的某个时刻，会有星际中的非人类生物接收到“旅行者”号传出的最后一条信息——“金唱片”。它们将通过“金唱片”了解“旅行者”号从何而来，了解地球上的生物、风景、声音和文化，以及一条来自美国前总统吉米·卡特（Jimmy Carter）的讯息：
“我们向宇宙传递这条讯息，希望有一天，我们在解决了所面临的困难之后，能够加入银河系文明的共同体。这份记录将把我们的希望、我们的决心、我们的善意传遍广阔而又令人敬畏的宇宙。”
“金唱片”（图片来源：NASA）
参考文献
[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]《环球科学》2022年8月刊：《“旅行者”号：最后的告别》
策划制作
来源｜环球科学（id:huanqiukexue）
撰文 | 黄雨佳
责编丨王梦如
