太阳系探索60年

文 | 桢公子

从没有什么地方

像星空一般令人神往

世界的规律

▼人们常根据月相的变化制定历法，如中国的农历；下图是月全食序列。摄影师@李文博

未来的命运

▼2000多年前，人们便开始通过占星术向星空寻求未来的启示。图片来源@VCG

美好的神话

似乎都与星空有关

▼牛郎织女跨越银河鹊桥相见的传说在我国代代相传。摄影师@阿五在路上

但宇宙星河如此浩瀚

人的一生又如此短暂

探索茫茫宇宙的梦想

实在有些无力和苍白

▼由哈勃望远镜拍摄的极深空影像，其中最遥远的星系距离地球甚至超过132亿光年。图片来源@NASA&ESA

然而即便如此

凭着一丝好奇、一点执念

人类对太空的热情从未有半分退却

如今

仅对太阳系的探索

人类就已孜孜以求60余年

而未来还会有更多人为此前赴后继

甚至贡献自己的一生

I

匆匆一瞥

1957年

人类第一次将人造卫星送上太空

它长相简单而奇特

却注定成为一代传奇

▼第一颗人造卫星，史泼尼克1号，总计环绕地球440圈；下图是其模型。图片来源@NMUSAF

它也被叫作“卫星1号”

这似乎预示着

我们终有一天会踏上更遥远的征途

果不其然

第二年由苏联发射的“月球3号”

就成功飞掠月球背面

向人类展示了一张模糊的图像

▼第一张月球背面照片，巨大的陨石坑形成明显的阴影。图片来源@NASA

这也是人类有史以来第一次

看到月球的另一面

▼由于地月潮汐锁定，人类在地球上只能看到月球一半左右的面积。图片来源@NASA

到了20世纪70年代

在不断的失败和尝试后

离地球较近的火星、金星、水星

终于依次向人类展露真容

可是结果似乎令人“大失所望”

人们并未得见火星上的智慧生命

只看到一片坑坑洼洼的死寂世界

▼荒芜的火星地表，由后期航天器拍摄。图片来源@NASA

金星不是温柔的维纳斯

浓厚的二氧化碳包裹着炽热的地表

形成汹涌彭拜的钩卷云

▼1973年，人类第一次看到金星的大气活动；下图为后期的红外成像。图片来源@NASA

水星亦与水毫无关系

在仅40-45%的可见表面上

布满了陨石坑和环形山

昼夜温差超过370℃

▼由于轨道位置，“水手10号”永远只能看到水星的一面。图片来源@NASA

即便关于外星世界的美好设想破灭了

这些成果依然是人类历史的里程碑

足以令世人欢呼雀跃

然而科学家们仍然忧心忡忡

按当时的技术

就算人类使出浑身解数

到达海王星也需要整整30年

如何才能更快地到达更远的天体？

哪怕只是看上一眼

▼太阳系主要天体排列，离地球较近的火星、金星、水星较早被探测；下图距离非实际比例。图片来源@NASA，请横屏食用

世事虽无常，却总有因缘际会

科学家发现

20世纪70年代后期

离地球较远的木星、土星、天王星和海王星

将在太阳同一侧呈现罕见的排列

借由一条钩状的路径

探测器将获得额外的引力加速

可将到达海王星的时间由30年缩短至12年

更可以一次性飞掠木星外侧的所有行星

而若要等下一次机会

则需要176年

▼“旅行者1号/2号”飞行路线。资料来源@NASA，制图@郑伯容/星球研究所

这简直是千载难逢的良机

于是带着世人的期许

一众探测器纷纷告别地球

一鼓作气向更远的外星世界进发

以NASA为例

1972-1977年的五年间

就有“先驱者”10-11号、“旅行者”1-2号

4台探测器为此发射升空

▼1977年，“旅行者”1号/2号相继发射成功。图片来源@NASA

其中“旅行者2号”最为“兢兢业业”

它于1977年发射

如愿造访了木星及其外侧的所有行星

也让人类第一次看到了天王星和海王星的模样

发射升空的第二年

“旅行者2号”与木星相遇

拍下了大红斑的近照

▼木星大红斑与地球大小比较；大红斑是一个逆时针旋转的风暴系统，直径大约为3个地球。图片来源@NASA

随后又顺手给木星和木卫一留下一张合影

木星是如此庞大

照片中的木卫一仅仅如同它的一滴眼泪

▼木卫一是离木星最近的一颗卫星，体积仅为木星的六万分之一左右。图片来源@NASA

在“旅行者2号”的镜头里

上演着太阳系的“冰与火之歌”

▼“火”，木卫一上有400余座活火山，“旅行者2号”第一次拍到了木星火山喷发的实况(左侧的“蓝光”)。图片来源@NASA

▼“冰”，木卫二的表面被布满裂缝的冰壳覆盖。图片来源@NASA

还记录了一场蔚为壮观的太空“日食”

▼“旅行者2号”飞掠土星时土卫六遮住了太阳。图片来源@NASA

在太空遨游9年后

“旅行者2号”终于来到了天王星

这颗蓝绿色的明珠在黑暗中异常夺目

纯净无暇得不可思议

▼“旅行者2号”拍摄的天王星画面，由于大气中的甲烷吸收红色光谱，肉眼观察呈现蓝绿色。图片来源@NASA

3年后

“旅行者2号”又传来了海王星的照片

镜头中的海王星比天王星更加湛蓝

太阳系最剧烈的风暴在这里呼啸

风速高达2100km/h

是地球上最大风速的10余倍

加上表面运动的云团

如同“风卷残云”

▼1989年旅行者2号拍摄的海王星照片，白色的云团附近有一明显的大黑斑，和木星的大红斑类似，是一个反气旋风暴。图片来源@NASA

也许是为了纪念这一面之缘

在“旅行者2号”告别海王星时

收到了这位新朋友送别它的一个微笑

▼“旅行者2号”离开海王星时拍摄的“微笑”，画面中的小星是海卫一。图片来源@NASA

曾几何时

太阳系还有第九大行星

2006年升空的“新视野号”就为此而生

虽然它刚出发7个月

冥王星便被“降级”为矮行星

但它仍然目标笃定

最终不负众望

成为第一台飞掠冥王星的人造物体

而此时的人类世界

已经是2015年

▼新视野号拍摄的冥王星大气背光。图片来源@NASA

至此

人类终于“看遍”太阳系

但匆匆一瞥的图像

早已无法满足人类激增的好奇心

也远达不到科学研究不断进步的需求

更详细、精确的探测势在必行

II

全方位扫描

相比“一波流”的飞掠式探测

环绕飞行的探测器就像一台“天体扫描仪”

一圈又一圈

乐此不疲

▼“卡西尼号”探测器对土星的“扫描”轨道。图片来源@NASA

然而这并非易事

例如对于火星而言

从飞掠到环绕

这“一小步”人类就走了7年

1971年，美国“水手9号”发射

成为了火星上空第一颗人造卫星

在它工作的349天里

向地球传送了7329张火星照片

人类第一次如此清晰地

看到了太阳系最宏伟的高山峡谷

奥林帕斯山

高达珠穆朗玛峰的2.5倍

▼奥林帕斯山的假色地形图。图片来源@NASA

水手峡谷，长3769km

相当于从我国哈尔滨到拉萨一线

从头至尾被峡谷贯穿

▼水手峡谷，最深处达7km，如同刀劈斧凿。图片来源@NASA

在人类太空史上

1989年注定是不平凡的一年

这一年人类的目光终于抵达遥远的海王星

也终于将“麦哲伦号”、“伽利略号”送上太空

它们将分头奔赴金星和木星的环绕轨道

并在接下来的几年里带给人们无尽的惊喜

得益于“麦哲伦号”的合成孔径雷达

一个“万里无云”的金星清晰可见

地表的火山熔岩流张牙舞爪

炽热的气息扑面而来

▼“麦哲伦号”绘制的金星雷达影像，金星地表温度高达475℃，压强达到92个地球大气压，仿佛一个巨大的“超级高压锅”。图片来源@NASA

相比之下

“伽利略号”的发现似乎更加“幸运”

木卫二的巨大冰壳下可能存在海洋

这又一次点燃了人类对外星生命存在的希望

而它偶然记录下的彗星撞木星的天文奇观

不禁让人类回忆起数万年前的地球上

小行星撞击地球的画面

▼“舒梅克·利维9号”彗星碎片撞入木星场景的艺术再现，注意下方出现的撞击坑。图片来源@NASA

在一众轨道探测器中

最激动人心的

莫过于蜚声中外的“卡西尼-惠更斯号”

它经历了20年的孤独旅行

探测成就可谓无与伦比

继卡西尼后

至今尚无新的轨道探测器

造访土星及其外侧的天体

▼卡西尼号的探测成就。图片来源@NASA，星球研究所标注

▼“卡西尼号”拍摄的木星大红斑，风暴细节生动清晰；红色代表低层云。图片来源@NASA

去往遥远的行星困难重重

而在另一头

为了对抗太阳的巨大引力

环绕水星的任务也同样艰难

迄今为止人类仅对水星探测3次

而火星和金星都高达40余次

▼人类太阳系探索次数统计；部分数据来源《国际太空》第458期，星球研究所更新。制图@郑伯容/星球研究

第一艘水星轨道探测器“信使号”

总共飞跃地球1次、金星2次、水星3次

才正式进入水星环绕轨道

全程耗费了近7年

可谓是历尽波折

▼很难相信，水星离地球如此之近，但2011年人类才第一次看到了它的全貌。图片来源@NASA

和地球不同的是

水星的北极没有一望无际的冰原

只有一个永久的暗坑

里面蕴藏着大量冻冰

▼水星北极。图片来源@NASA

至此

经过50余年的努力

太阳系行星中仅有遥远的天王星和海王星

还未接受人类的“全方位扫描”

也许是对此有所感叹

“信使号”进入轨道后回望身后

为这些成员们拍摄了一张“全家福”

▼“信使号”拍摄的太阳系行星全家福。图片来源@NASA，星球研究所标注，请横屏食用

III

登陆

50多年前

“水手4号”第一次飞掠火星

距离火星表面近10000km

而“水手9号”第一次环绕火星

距离表面仅1500km

这么看来

终有一天人造物体将登陆其他星球

结果也确实如此

然而

最初的登陆却显得有些冷酷

这些探测器选择了一种义无反顾的方式

以较大的速度直接撞击星体

利用撞击前的短暂时机完成探测任务

随后便粉身碎骨

▼1959年“月球2号”硬着陆月球，完全坠毁前对月球磁场进行了探测；下图为艺术想象。图片来源@NASA

这绝非长久之计

于是离地球较近的月球、火星和金星

相继成为了软着陆的主战场

为了让着陆过程安全平稳

科学家们将想象力发挥到了极致

最经典的软着陆

采用的是推进器制动

▼2008年着陆火星的“凤凰号”采用的就是这种传统的方法。图片来源@NASA

根据功能不同

有的登陆器着陆后

只能守着“一亩三分地”

完成自己的使命

▼“凤凰号”在火星上工作的想象图。图片来源@NASA

而有的则带来了新的使者

即将在这片崭新的土地上大显身手

▼“嫦娥三号”也是通过推进制动着陆，这是中国第一次月球软着陆；图中是着陆器释放的月球车“玉兔号”。图片来源@CNSA

1997年登陆的“火星探路者号”

首次采用了气囊作为缓冲

圆滚滚的气囊在空中打开

萌点十足

▼探路者登陆器着陆前气囊打开。图片来源@《Roving Mars》

气囊撞击地表

首次反弹超过5层楼的高度

持续蹦蹦跳跳15次后终于停下

“旅居者号”火星车闪亮登场

开始了它的火星徒步之旅

▼“旅居者号”火星车出现。图片来源@《Roving Mars》

气囊缓冲技术的成功

让7年后的“勇气号”和“机遇号”得以顺利登陆火星

它们是一对双胞胎探测器

肩负着相同的使命

▼“勇气号”/“机遇号”在火星上的想象图。图片来源@NASA

“机遇号”在开始工作之前

回头拍下了帮助自己平安抵达的气囊登陆器

这也许是对它最好的感谢方式

▼“机遇号”着陆时使用的气囊。图片来源@NASA

工作了一年后

“机遇号”的车轮深陷沙坑，寸步难行

无奈之下

它只能原地自拍

最终在地球人的帮助下

才得以脱离困境

▼“机遇号”自拍深陷沙中的车轮，人类在地球上经过了6周的物理模拟才帮助它脱困。图片来源@NASA

而它的兄弟“勇气号”就没有这么幸运了

近一年的解救行动均以失败告终

2010年NASA宣布

放弃对“勇气号”的“火星救援”

辛勤工作6年的“勇气号”走到了生命的终点

另一边重获新生的“机遇号”则更加卖力

它将兄弟的使命一同扛起

原本设计寿命仅90天

却超额服役长达14年

▼机遇号在火星荒原上孤独的前进轨迹。图片来源@NASA

截至2018年5月8日

它已在火星上跋涉45.16km

创造了无人探测车在太空中的最高移动记录

▼历代火星车和月球车的移动记录。原图来源@NASA，修订@郑伯容/星球研究所

直到2012年

一辆豪华火星车“好奇号”诞生了

相比之前的探测器

“好奇号”体型更加庞大

▼历代火星车对比，左为“勇气号”/“机遇号”，下为“旅居者号”，右为“好奇号”。图片来源@NASA

于是一种全新的登陆方式应运而生

由一架天空起重机将火星车缓缓放下

随即夹断系绳与之告别

▼“好奇号”落地。图片来源@NASA

此后

“好奇号”在火星表面四处驰骋

一路收集土壤、岩石

不断向千万里之外的地球人

发送一个接一个激动人心的消息

▼“好奇号”在火星钻孔采样。图片来源@NASA

经分析发现

火星土壤水分高达1.5-3%

岩石中含有有机物

这无疑让人们惊讶、兴奋、喜悦

似乎已能看到火星帝国的未来图景

▼火星移民想象图。图片来源@NASA

如今

NASA和ESA正在计划将火星样本带回地球

这可谓是史上最野心勃勃的星际探索之一

打头阵的便是NASA的2020火星车

它装有23个照相机

是一台顶配的“好奇号”

预计将于2021年着陆火星

▼2020火星车工作想象图。图片来源@NASA

未来人类将看到怎样的太阳系？

我们无法预言

但可以肯定的是

人类不仅是见证者

也必将成为“亲历者”

IV

人类亲临

1961年4月12日

苏联宇航员尤里·加加林搭乘“东方一号”升空

人类的足迹第一次进入太空

随后的第8年

美国宇航员阿姆斯特朗代表人类踏上了月球

一句“我的一小步，人类的一大步”

令全世界为之沸腾

▼人类在月球上的第一个脚印。图片来源@NASA

此后

阿波罗计划在全世界几乎家喻户晓

它曾经功勋卓著、成就斐然

▼“阿波罗15号”和首个月球车，宇航员在月球上共停留了3天。图片来源@NASA

也曾经面临功败垂成的危机

▼“阿波罗13号”在前往月球的途中氧气罐爆炸，3名宇航员经历重重危机后搭乘登月舱安全返航。图片来源@NASA

然而

和在太阳系中四处漫游的探测器不同

直到阿波罗计划终止

人类也尚未走出地球与月球的界限

▼“阿波罗17号”在月球轨道上拍摄的“地出”，这也是人类最后一次登上月球。图片来源@NASA

NASA近期宣布

2030年将重启登月计划

并将宇航员送上火星

届时声名赫赫的国际空间站

亦将成为人类探索深空的第一个中转站

▼国际空间站拍摄的极光。图片来源@NASA

回首人类60余年的太空探索

人们不免感慨万千

那些作为人类前哨的探测器

有的仍然老骥伏枥

▼“好奇号”仍在火星上运行。图片来源@NASA

有的已灰飞烟灭

▼消失在土星大气中的“卡西尼号”。图片来源@NASA

有的则飘向无尽的宇宙世界

再无机会返回太阳系

▼“旅行者1号”飞跃土星后，高速直奔太阳系外而去，目前已成为离地球最远的人造物体。图片来源@NASA

但他们依然承载着

一代代地球人对星空的好奇、执念与理想

正如诗人写道

▼莱蒙托夫《帆》

一只船孤独地航行在海上，它去远方寻找什么？又把什么抛在故乡？它不是寻求幸福，也不是逃避幸福，它只是向前航行，脚下是沉静碧蓝的大海，头顶是金色的阳光。…

也许你我有生之年有幸得见

人类终于成为跨星球物种

但不论人类的疆域如何扩展

人们永远不会忘记60多年前的那一天

那一天

人类的目光第一次摆脱大气的束缚

从此开启了一个恢弘的时代

▼一件退役的俄罗斯太空服，被人类“故意”从国际空间站抛出，成为一颗独特的人造卫星，被称为“Suitsat 1号”。也许未来有一天，人类真的能漫步星际之间。图片来源@NASA

这是属于全人类的60年

也是属于科学开拓者的60年

P.S. 本文主要参考文献包括：刘明《俯瞰地球——人类航天探索解密》、王志军《飞向宇宙——人类太空开发展望》、陈求发《世界航天器大全》、弗利斯·安格波特《太空简史》、卢勇《世界重大空难透视》等。