第一个造访太阳系边缘的，是谁？
本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：王善钦，原文标题：《探索太阳系边疆的先驱：先驱者10号丨行星壮游》，题图来自：视觉中国
在人造卫星升空之后，人类开始发射无人探测器，用以近距离探测太阳系内的行星。在这些行星中，“外行星”（木星、土星、天王星与海王星）的探测更具挑战性，这是因为：首先，它们比“内行星”更远，因此需要更强大的火箭与更先进的轨道控制技术；其次，也因为它们更远，它们附近的太阳光的辐射更弱，因此需要太阳能电池之外的其他能源为仪器提供电能。
人类并未因为这些困难而退却。经过科学家与工程师的通力合作，人类最终成功发射了一系列探测器，实现了近距离探测四颗外行星的伟大壮举，使人类对外行星的认识发生了质的飞跃。先驱者10号（Pioneer 10）是这一系列探测器中的第一个，也是获得成功的第一个。
先驱者10号与木星的艺术想象合成图。图片来源：Rick Guidice
缘起：近200年一遇的机会
1964年，美国国家航天航空局（NASA）喷气推动实验室（JPL）的航天工程师嘉利·法兰德罗（Gary Flandro，1934-）指出：70年代末，木星、土星、天王星与海王星位于同一侧，且几乎成一直线。如果能够提前几年向那个方向发射探测器，探测器就可以在1980年左右依次经过这四颗巨行星，通过飞掠的方式近距离探测它们。
采用这个方案，探测器不仅可以依次飞掠四颗外行星，而且每飞掠一颗外行星，行星的引力加速效应都将提高探测器速度，从而节省大量燃料与近一半的飞越时间。
这样的情况每175年才出现一次，因此这个机会非常珍贵。为此，NASA启动了探索外行星的计划。经过讨论，专家们初步计划发射4个探测器，其中两个探测器探索木星、土星和冥王星，另外两艘探索木星、天王星和海王星。这就是著名的“行星壮游”（Planetary Grand Tour）项目。[注1]当时冥王星还位列“九大行星”之列，因此它也被作为“行星壮游”项目的核心观测目标之一。
为了给“壮游”项目提供宝贵的经验，NASA的艾姆斯（Ames）研究中心（ARC）于1964年提出 “银河系木星探测器”（Galactic Jupiter Probes）项目。该项目将发射两个一样的探测器，使它们穿过小行星带，并探索木星。这两个探测器中，一个作为另一个的备份——如果一个失败，则由另一个完成前者的任务。
1969年2月，NASA批准了这个项目。该项目的两个探测器在被发射前不久被分别命名为“先驱者10号”与“先驱者11号”（Pioneer 11）。它们一开始就从“10号”开始编号，是因为NASA从1958年开始已发射多个先驱者探测器，它们的编号依次为0、1、2、3、4、P-1、P-3、5、P-30、P-31、6（A）、7（B）、8（C）、9（D）与E。这些探测器分别被用以探测月球与研究太阳性质，有的成功，有的失败。
“先驱者10号”与“先驱者11号”一开始的编号为F与G。它们分别是先驱者系列中第一个与第二个探索外行星的探测器。所有先驱者系列探测器都由ARC的先驱者号团队负责运营。
先驱者6-13号的外形的艺术想象图。最左为先驱者6、7、8、9号，左二为先驱者10号与11号，左三与最右分别是探测金星的先驱者12号与先驱者13号。图片来源：NASA
结构与仪器
先驱者10号是无人飞船。它有以下几大重要部件：电源、推进与姿态控制系统、科学仪器与天线。
为了解决外太阳系太阳能不足的问题，先驱者10号安装了4个放射性同位素热电机（radioisotope thermoelectric generators，RTG），使用压缩钚-238氧化物球，因此该电源也被称为钚核电池。它们被放置在两个三杆桁架上，两个桁架之间的夹角为120度，距离探测器上的仪器足够远，就像蜗牛伸出的两个触角。在刚发射时，RTG产生的热可以制造出约155瓦的电功率。由于放射性物质的衰变，RTG的功率会不断降低，但在飞到木星时，其输出电功率依然有140瓦，而探测器正常运行只需要100瓦的电功率。
先驱者10号与11号的4个放射性同位素热电机中的2个被放置在一个延伸桁架上。图片来源：https://history.nasa.gov/SP-349/ch3.htm
先驱者10号上安装了6个MR-103肼推进器，它们被配成3对，用于改变速度、控制姿态与调整旋转速度。推进器里面的36千克推进剂被装在直径为42厘米的球形箱子里。
先驱者10号上面的仪器有：氦矢量磁强计（Helium Vector Magnetometer，HVM）、四球面等离子体分析仪（Quadrispherical Plasma Analyzer）、带电粒子设备（Charged Particle Instrument，CPI）、宇宙线望远镜（Cosmic Ray Telescope，CRT）、盖革管望远镜（Geiger Tube Telescope，GTT）、俘获辐射探测器（Trapped Radiation Detector，TRD）、流星体探测器（Meteoroid Detectors）、小行星/流星体探测器（Asteroid/Meteoroid Detector，AMD）、紫外光度计（Ultraviolet Photometer）、成像偏振测光计（Imaging Photopolarimeter，IPP）与红外辐射计（Infrared Radiometer）。
图：先驱者10号（也是先驱者11号）的结构图。主天线（高增益天线）中间未被标注的是中增益天线。图片来源：NASA，Vectors by Mysid；王善钦译
先驱者10号的无线电通信系统包括一个直径2.7米的抛物面高增益天线与一个中增益天线。天线用以接收地球上的深空网络站点（DSN）发送的信号指令，并向DSN发送获得的数据。
根据仪器的名称，我们会发现它们中的大部分将被用以探测宇宙线、各种带电粒子、等离子体、磁场、流星、小行星。其余的仪器负责拍摄紫外线、可见光与红外线图像。
先驱者10号上面的成像偏振测光计由口径仅为2.54厘米（1英寸）的小望远镜与两个探测器组成。这两个探测器分别与红色滤光片与蓝色滤光片匹配。光进入望远镜之后，经过滤光片，然后在探测器上成像。结合两个探测器得到的图像，可以合成目标几乎真实的颜色。
所有仪器与零部件安装好之后，先驱者10号的长度（从中增益天线开始到飞船尾部）为2.9米，最大直径（即高增益天线的直径）为2.7米。在升空之前，先驱者10号的质量为258千克。
即将完工的先驱者10号。图片来源：NASA Ames Research Center
先驱者10号升空
1972年3月3日（世界标准时），先驱者10号搭载擎天神-半人马（Atlas-Centaur）火箭升空。这款火箭为先驱者10号定制了推力巨大的第三级固体发动机，它可以将探测器加速到14.4千米每秒，这是先驱者10号可以飞到木星的重要保证之一。
先驱者10号搭载擎天神-半人马（Atlas-Centaur）火箭升空。图片来源：NASA Ames Resarch Center (NASA-ARC)
因为速度巨大，先驱者10号仅用了19分钟就进入行星际空间（行星与行星之间的空间被称为行星际空间；恒星与恒星之间的空间被称为星际空间；二者并不相同，不能混淆）。11小时后，先驱者10号经过月球，成为截至当时为止最快的人造天体。
火箭还使升空后的先驱者10号以每分钟60转的速度绕着高增益天线的对称轴旋转。随着三个桁架（第三个桁架用以放置氦矢量磁强计）伸出，它的转速降低到每分钟4.8转，此后它保持这个转速自转。自转的一个目的是控制稳定，另一个目的是使探测器可以在目标区域附近改变望远镜或探测器的指向，进行更大范围的成像或测量。
发射之后10天内，先驱者10号上面的仪器被先后启动。在穿越行星际空间时，先驱者10号成为第一个探测到行星际氦原子的探测器，并探测到来自太阳风的高能铝离子与钠离子。
发射后仅12周，先驱者10号穿过火星轨道，并朝着位于火星与木星轨道之间的小行星带飞去。这里分布着大量小行星，因此得名。
1972年7月15日，先驱者10号进入小行星带，成为第一个进入小行星带的航天器。
1972年8月7日，先驱者10号在距离太阳2.2天文单位（3.3亿千米）处探测到一次猛烈的太阳风爆发时产生的激波，为太阳物理的研究提供了重要的数据。
在穿行小行星带期间，先驱者10号没有受到大的尘埃颗粒的碰撞，这表明小行星带内部非常空旷。在此期间，先驱者10号精确确定了小行星带内不同尺寸的尘埃颗粒的密度，并测量了行星际空间尘埃颗粒散射阳光后形成光（“黄道光”）的强度。
1973年2月15日，先驱者10号安全穿出小行星带，前往木星，此时它已经飞行了约4.35亿千米。
先驱者10号飞掠木星系统
1973年11月6日，先驱者10号距离木星2500万千米，先驱者号团队发出指令，开始测试它的成像系统，随后成功获得木星的图像。在靠近木星的过程中，它拍摄到大量月牙状的木星；随着它即将进入木星阴影区，它看到“月牙”越来越细。
先驱者10号接近木星期间多次拍摄的木星，显示出明显的类似于月相变化的现象。图片来源：NASA
1973年11月26日，先驱者10号探测到的太阳风粒子的数目急剧减少，温度升高约100倍，这意味着它到达木星磁层边缘、开始进入木星磁层。在木星磁场边缘，太阳风撞击磁层，形成弓形激波；磁层对太阳风的阻挡导致太阳风速度大大降低。这一天，先驱者号团队收到先驱者10号拍摄的12张木星图像。一天后，先驱者10号穿过木星磁层顶。
1973年11月29日，先驱者10号穿过了木星的所有外层卫星的轨道。从12月1日开始，离木星足够近的先驱者10号拍摄的木星照片的品质超过了当时地球上望远镜能够得到最好的木星图像品质。
1973年12月3日，先驱者10号开始飞掠木星系统。它于当天的12:26:00、13:56:00、19:26:00与22:56:00依次飞掠了木卫四（距离139.23万千米）、木卫三（距离44.625万千米）、木卫二（距离32.1万千米）与木卫一（距离35.7万千米）。
先驱者10号于1973年12月2日-6日的运行轨迹以及它于1973年12月4日飞掠木星系统时木星与其四颗卫星的位置。图片来源：Tomruen；王善钦译
先驱者10号拍摄的木卫三的图像表明后者的中央和南极附近的反照率较低，北极更亮。
先驱者10号于1973年12月3日拍摄的木卫三。图片来源：NASA
先驱者10号与木卫二的距离始终太远，因此人们无法从它拍摄的木卫二图像中分析出足够的细节。但是，它得到的图像依然表明木卫二的整体反照率比较高，且拥有一些比较宽的暗区域。这些特征被后来的其他探测器进一步证实。
先驱者10号于1973年12月3日拍摄的木卫二的图像。图片来源：NASA
1973年12月4日02:26:00，先驱者10号到达它的近木点（物体围绕木星运转的轨道中最接近木星的点），距离木星云顶13.2252万千米。此时，它的速度为35千米每秒。10分钟后，先驱者10号穿越木星赤道面。大约78分钟后，它进入木星背后（相对当时地球的视线方向），进行无线电掩蔽实验。
先驱者10号飞掠木星期间拍摄的木星。图中黑点是木卫一的投影。图片来源：NASA
在靠近木星期间，木星对先驱者10号的辐射强度一度达到预期强度的大约10倍。强辐射严重干扰了先驱者10号的多个仪器，使它们先后暂时失灵，并导致了大量指令发生错误。幸好，在系统即将彻底报废前几分钟，辐射强度突然降低，先驱者号团队也通过应急命令纠正了大部分错误指令。
此后，先驱者号团队分析了辐射突然降低的原因，发现这是因为木星的磁场是环绕着赤道的环向磁场，而且会摆动。这使得木星磁场从某个时刻开始不再笼罩先驱者10号，后者因此死里逃生。
尽管木星的强辐射干扰了先驱者10号，但上面的11个仪器中依然有6个始终正常工作，成像系统向地球传回了木星及它的一些卫星的约500张图像。这些图像中分辨率最高的达到320千米每像素。
1974年1月1日，先驱者10号结束探测木星系统的任务，开始执行星际任务。[注2]1997年3月31日，先驱者10号结束所有任务。
先驱者10号一度是距离太阳最远的人造天体。1998年2月17日，旅行者1号超越先驱者10号，当时二者距离地球约69.419天文单位（104.1亿千米）。从那时到现在，先驱者10号是距离太阳第二远的人造天体。2023年4月，旅行者2号将超越先驱者10号，从而使后者成为距离太阳第三远的人造天体。
2002年4月27日，地面最后一次接收到它发回的数据，此时它距离地球80.22天文单位。2003年1月23日，地面最后一次接收到它的微弱信号。2003年2月7日，地面无法联系上它。
给外星人的金属牌
先驱者10号上面放置着一个包含一些重要信息的镀金铝牌。这是人类首次在探测器上安放、意在让外星人了解地球信息的信息牌。此后的先驱者11号、旅行者1号与旅行者2号都采用了类似方案，其中先驱者11号上的牌子与先驱者10号上的牌子完全一样。[注3] ? ?
先驱者10号上面的牌子的质量约120克，它的宽度、高度与厚度分别为22.86厘米、15.24厘米与1.27毫米。
先驱者10号上面携带的铭牌。图片来源：NASA
牌子左上方是氢原子超级精细结构跃迁的图。氢原子的电子的自旋方向改变时，发射出的光子的周期是0.704纳秒，[注4]1纳秒等于10亿分之1秒。这个信息可以让外星人了解人类测量时间的方式之一。在两个氢原子之间的连线的中点处，有一个非常短的垂直线，代表二进制的1。
牌子中左侧多条线的中心表示太阳系。从这个中心点向右边延伸过去的最长的线表示太阳与银河系中心的相对距离；从中心向周围散开的另外14条线代表地球与14颗脉冲星的相对距离。这14条线由二进制数字构成，表示对应的脉冲星的自转周期。外星人可以通过周期找到对应的脉冲星，从而确定出太阳系的位置。
牌子中的人像表示地球上成年男性与女性的轮廓。男性举起的右手表示友好。女性的头与脚的地方的平行线夹着的符号表示二进制的8，表示这位女性的身高约为8英尺（168厘米）。与人像部分重叠的是先驱者10号的轮廓，与人的大小严格成比例。
牌子的最下方是太阳系，从左到右依次是太阳、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星与冥王星；曲线代表先驱者10号的飞行轨迹：从地球出发，飞掠木星后离开太阳系。行星上方或下方的符号代表它们与太阳的相对距离的二进制数字，单位是水星轨道平均半径的0.1倍。
被放置到先驱者10号上面的铭牌。图片来源：NASA/HQ
现在，先驱者10号朝着恒星毕宿五（金牛座α星）的方向前进。毕宿五是一颗红巨星，距离太阳系约65光年（1光年接近10万亿千米），先驱者10号需要200多万年才能到达它。
2019年，有人[注5]用Gaia卫星获得的恒星位置与运动速度、方向的数据推断出更“乐观”的结果：约9万年后，先驱者10号将飞掠矮星HIP 117795，与它最近时的距离为0.75光年；这是它未来几百万年内它能够遇到的最近的恒星。不过，0.75光年约为地球与太阳之间距离（1.5亿千米）的5万倍，外星人所在的星球不可能离母恒星那么远。因此，要想让先驱者10号被外星人（如果有）截获，还需要更漫长的岁月。
月掩毕宿五。图片来源：Christina Irakleous
硕果累累，意义重大
先驱者10号创造了多个第一：它是第一个探测外行星的探测器，它是第一个穿越小行星带的探测器，它是第一个近距离探测木星系统的探测器，它是第一个达到第三宇宙速度从而可以离开太阳系的人造天体，它是第一个使用核电池的探测器，它是第一个实现引力辅助加速与变轨的外行星探测器，等等。
它对木星的探测，实现了人类近距离观测木星的梦想，获得了丰硕的成果。从开始观测到结束观测，在近60天的时间内，先驱者号团队共发出约16000条指令，让先驱者10号执行了各种观测任务。在此期间，它17次穿越木星磁层的弓形激波，拍摄了木星及其卫星的约500张图像，测量或观测了木星的磁层、辐射带、磁场、大气、引力场等各种性质，大大深化了人类对木星系统的认识，并开启了木星各方面研究的先河。
先驱者10号的成功为先驱者11号（探测木星与土星）、旅行者1号（探测木星与土星）、旅行者2号（探测木星、土星、天王星与海王星）、伽利略号（探测木星）、朱诺号（探测木星）、卡西尼-惠更斯号（探测土星与土卫六）、新视野号（探测冥王星）等探测器积累了宝贵的经验，成为它们的先驱。
为了纪念先驱者10号的贡献，美国邮政局于1975年2月10日发行了一枚以先驱者10号为主题的纪念邮票。
1975年被发行的先驱者10号的邮票。图片来源：US Post Office; Hi-res scan of postage stamp by Gwillhickers
先驱者10号启动了人类探索外行星的时代，在外行星探测领域的荒漠中制造出第一片绿洲。此后，随着其他外行星探测器获得成功，更多绿洲涌现出来。
注释
[注1]英文中的Grand Tour原意指欧洲人或英国人巡游整个欧洲大陆，其含义与汉语中的“壮游”对应。
[注2]早在它穿出小行星轨道时，先驱者号团队就已选择了一条路径，使其在飞掠木星系统时可以借助木星强大引力产生的“引力弹弓”效应来实现加速与变轨，飞离太阳系。先驱者10号飞掠木星时实现了这个方案，它也因此成为第一个实现引力加速变轨方案的外行星探测器。
[注3]在先驱者10号与11号上放置金属牌的想法最早由埃里克·博格斯（Eric Burgess，1920-2005）最早提出。他希望高级智慧生命（外星人）将来截获在太空中漫游的探测器，通过牌子知道宇宙中还有另外一群智慧生命生活在太阳系的地球上，并知道地球与人类有关的信息。博格斯将这个想法告诉卡尔·萨根（Carl Sagan，1934-1996）。萨根对这个想法极有兴趣，并正式向NASA申请执行这个计划。NASA批准了这个想法。萨根与弗兰克·德雷克（Frank Drake，1930-2022）合作设计了这个牌子。牌子上的插图由萨根当时的妻子琳达·萨根（Linda Salzman Sagan，1940-）负责。
[注4]这种跃迁产生的电磁波的波长是21.106厘米，频率是1420.405 MHz，该频率对应的周期是0.704纳秒。
[注5] Bailer-Jones， Coryn A. L. & Farnocchia， Davide， Future Stellar Flybys of the Voyager and Pioneer Spacecraft， Research Notes of the American Astronomical Society， 2019， 3， 59. 这篇论文的扩展版本见：arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/abs/1912.03503)
本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：王善钦
