文/ 叶楠

远离太阳的天体探测

1609年，伽利略第一次将望远镜指向天空，他看到了木星的4颗卫星以及土星的光环。1781年3月13日，威廉·赫歇尔利用望远镜发现了天王星。1846年9月23日，伽勒根据勒维耶通过数学计算预测出的位置发现了海王星。1930年2月18日，汤博利用照相术发现了冥王星。1992年8月30日，除冥王星及其卫星外的第一颗海王星外天体被发现……之后更多柯伊伯带天体陆续被发现。这些天体由于距离地球过于遥远，对它们的探测动辄需要耗费数十年以上的时间，这对探测器提出了更高的要求。

从土星到天王星

“旅行者2号”是美国宇航局于1977年8月20日发射的探测器，虽然它比“旅行者1号”抵达木星和土星晚一些，但这样的速度能让它的轨道保持在黄道面上，而且，借由176年才一遇的行星间几何排列，“旅行者2号”还可以借助木星和土星的引力加速，去探访天王星和海王星。1981年8月25日，“旅行者2号”通过飞掠土星的借力，进入天王星交会轨道。1985年11月，“旅行者2号”进入距天王星1亿公里的远距离观测阶段。图为“旅行者2号”通过长时间曝光拍摄的天王星图像，可以看到天王星的ε环。

飞掠天王星

1985年6月，“旅行者2号”拍摄了第一张作为导航用的天王星的照片，此后半年多的时间里，在“旅行者2号”的相机里只有天王星及其卫星。通过照片，更多天王星的卫星相继被发现。1985年12月，首先发现了天卫十五。1986年1月的上半个月又发现了6颗卫星。1月20日，在ε环两侧发现了天卫六和天卫七（左图内侧是天卫六，外侧是天卫七）。1月24日，“旅行者2号”在距离天王星中心107000公里处飞掠。之后它又拍到了天卫四表面的山峰、天卫三（右图）上巨大的撞击坑及断层、布满撞击坑的天卫二以及表面最年轻的天卫一。

奇特的天卫五

在所有天王星的卫星中，天卫五（左图）最令人瞩目，是目前为止太阳系中观测到的最为奇特的卫星之一。它的表面有类似火星上的山谷、类似木卫三上的沟壑、类似水星上的挤压断层，还有3个直径200～300公里的椭圆形区域，其中最具特色的是一系列沟槽和陡坡组成的V字形地貌。在右图中晨昏线处的悬崖高度超过20公里，在这样一个弱引力天体上，从崖顶扔下一个物体需要10分钟时间才会落地。关于天卫五的形成过程可能要等到下次探测才能够得到解答。

飞掠海王星

飞掠前13小时，在距离35倍海王星半径处，“旅行者2号”遭遇了一次非常清晰的弓形激波，发现粒子通量随磁场增大而减少，由于海王星的磁极和自转轴之间有约47度的夹角，后来确认这次“旅行者2号”几乎是在磁极上方且与磁力线平行的方向进入了海王星磁层。飞掠前63分钟，“旅行者2号”在距离海王星中心85500公里处由南向北穿越了环平面。随后，世界时1989年8月25日3时56分，“旅行者2号”在距离29240公里处成功飞掠海王星。下图是在飞掠最近点时“旅行者2号”拍摄的海王星高空云投射到主云层下方的阴影。

向海王星进发

借助天王星引力的助推，“旅行者2号”继续飞向海王星。为了能更精确地接近目标，1986年2月14日，“旅行者2号”进行了一次长达2.5小时的轨道机动，消耗了12千克的肼燃料。海王星到地球的距离大约是天王星的1.5倍，为了接收到更加微弱的信号，包括“甚大阵”在内的全球共计38台射电望远镜都参与了观测，“旅行者2号”不再只是一个国家的任务，更是整个人类对宇宙探索的一个期望。1987年3月13日，“旅行者2号”再次实施轨道机动，在新的轨道上它将刚好穿越海王星光环，之后转向飞掠海卫一。

1988年5月，“旅行者2号”拍摄到第一张海王星照片，此时它距离海王星仍有6亿公里远。1988年底，随着距离的接近，照片也逐渐清晰起来，海王星就像是一个蓝色的小圆盘，海卫一是一个粉红色的小点（左图）。在海王星中心附近存在着类似木星大红斑似的黑色斑点。通过1989年4月的照片（右图）测出黑斑大小为东西13000公里、南北6500公里，随后被命名为“大黑斑”。历史上关于海王星大黑斑的记载可以追溯至1899年。但是1994年哈勃空间望远镜拍摄的海王星高分辨率图像中并不存在这些黑斑。后续研究表明这可能是海王星云层上的空洞。

探访海卫一

“旅行者2号”在飞掠海王星后将注意力投向了海卫一，它有5个小时的时间对海卫一进行勘测。此时海卫一的北半球处于黑暗中，直到2040年；南半球的春天始于1960年，将持续到2000年以后。海卫一的南极冰盖将本就不多的阳光几乎全部反射出去，这使它成为了当时已知太阳系内最冷的地方，温度只有-235℃。在南极地区发现了间歇性的喷流活动，这是继木卫一的火山后，人类发现的第二个正在进行中的地质活动。赤道附近的地形复杂多样，最引人注意的是稀疏的多坑平原，与哈密瓜皮很相似，之后也被称为哈密瓜皮地形。上图是“旅行者2号”拍摄的鲁阿卡平原的高分辨率图像。通过测定“旅行者2号”轨道偏离得出海卫一的密度为每立方厘米2克，令人惊奇的是这个数值与冥王星相同，之后关于海卫一各种俘获假说便大量涌现。

太阳系合影

1989年8月31日，“旅行者2号”在远离海王星的过程中拍摄了一组海卫一凌海王星的照片。从1962年的“水手2号”飞掠金星开始，经过27年的时间，人类对除地球外的全部7颗大行星都完成了探测。13年间，“旅行者2号”传回了67万张照片，下图是它拍摄的最后一组照片，照片展示的是整个太阳系天体的合影。但是“旅行者2号”仍然未到退役的时候，2018年12月，美国宇航局确认“旅行者2号”飞出日球层顶（太阳风影响区域），成为第二颗进入恒星际空间（银河系射线影响区域）的探测器。同时，美国宇航局也认定奥尔特云外缘是太阳系的边界，“旅行者2号”大约要航行3万年才能飞出太阳系。

“新视野号”造访冥王星

“新视野号”（左图）是美国宇航局于2006年1月19日发射的以冥王星为首要目标的探测器，彼时冥王星仍隶属太阳系九大行星之列，但是随着更多的柯伊伯带天体被发现，同年8月24日国际天文联合会决议将冥王星认定为矮行星。发射之初，火箭发动机关闭时相对地球速度为每秒16.26公里，是有史以来发射速度最快的探测器。经历了9年6个月的长途跋涉后，2015年7月14日，“新视野号”在距离12472公里处飞掠冥王星，传回了大量冥王星照片，右图是其中广为流传的一张，拍摄于飞掠前一天。另外值得一提的是冥王星的发现者克莱德·汤博的部分骨灰也随“新视野号”一起造访了冥王星。

飞向“天涯海角”

“新视野号”在完成冥王星探测之后的第二个月，科学家们为它选定了下一个飞掠探测目标——486958号小行星。这是一颗位于柯伊伯带内的小行星，英文名为Ultima Thule，中文译名为“天涯海角”。通过这个有深意的名字也可以看出它是现代空间探测史上最遥远的天体。2019年1月1日，“新视野号”在约3500公里处飞掠“天涯海角”，并拍摄了这颗奇特小行星的照片（如图）。如果一切顺利，后续“新视野号”还将再飞掠1到2个柯伊伯带天体。

更遥远的地方

截至2019年底，共有5个人造探测器向着太阳系以外更遥远的地方飞行着，它们分别是：“先驱者10号”“先驱者11号”“旅行者2号”“旅行者1号”和“新视野号”。其中距离我们最远的是“旅行者1号”，约221.4亿公里，我们现在还可以收到来自它的信号，不过由于距离遥远，即使是光速也会有20.5个小时的延迟。5个探测器中先驱者10号和11号已经没有了联系，预计到2025年前后也会失去旅行者1号和2号的消息，“新视野号”如果顺利，未来20年内还可以和我们继续联系。

虽然目前我们不会知道遥远未来的更多信息，但几个探测器携带着有关于地球及人类的信息，数十万年后它们或许被送到另外一颗恒星。虽然这是一段极其漫长而又孤独的旅途，但这又关乎人类文明的未来，这将是我们开启太空文明的第一步。（全文完）