環球精選！探索太陽系邊疆的先驅：先驅者10號丨行星壯游

先驅者10號是第一個成功實現木星近距離探測的探測器，也是第一個成功實現外行星（木星、土星、天王星與海王星）近距離探測的探測器。它的成功為后續的外行星探測器積累了寶貴的經驗。人類進入外行星探測時代，其起點就是先驅者10號，“先驅者”實至名歸。它的成功，在外行星探測領域的荒漠中制造出第一片綠洲。

(資料圖片僅供參考)

撰文 | 王善欽

在人造衛星升空之后，人類開始發射無人探測器，用以近距離探測太陽系內的行星。在這些行星中，“外行星”（木星、土星、天王星與海王星）的探測更具挑戰性，這是因為：首先，它們比“內行星”更遠，因此需要更強大的火箭與更先進的軌道控制技術；其次，也因為它們更遠，它們附近的太陽光的輻射更弱，因此需要太陽能電池之外的其他能源為儀器提供電能。

人類并未因為這些困難而退卻。經過科學家與工程師的通力合作，人類最終成功發射了一系列探測器，實現了近距離探測四顆外行星的偉大壯舉，使人類對外行星的認識發生了質的飛躍。先驅者10號（Pioneer 10）是這一系列探測器中的第一個，也是獲得成功的第一個。

先驅者10號與木星的藝術想象合成圖。圖片來源：Rick Guidice

緣起：近200年一遇的機會

1964年，美國國家航天航空局（NASA）噴氣推動實驗室（JPL）的航天工程師嘉利·法蘭德羅（Gary Flandro，1934-）指出：70年代末，木星、土星、天王星與海王星位于同一側，且幾乎成一直線。如果能夠提前幾年向那個方向發射探測器，探測器就可以在1980年左右依次經過這四顆巨行星，通過飛掠的方式近距離探測它們。

采用這個方案，探測器不僅可以依次飛掠四顆外行星，而且每飛掠一顆外行星，行星的引力加速效應都將提高探測器速度，從而節省大量燃料與近一半的飛越時間。

這樣的情況每175年才出現一次，因此這個機會非常珍貴。為此，NASA啟動了探索外行星的計劃。經過討論，專家們初步計劃發射4個探測器，其中兩個探測器探索木星、土星和冥王星，另外兩艘探索木星、天王星和海王星。這就是著名的“行星壯游”（Planetary Grand Tour）項目。[注1]當時冥王星還位列“九大行星”之列，因此它也被作為“行星壯游”項目的核心觀測目標之一。

為了給“壯游”項目提供寶貴的經驗，NASA的艾姆斯（Ames）研究中心（ARC）于1964年提出 “銀河系木星探測器”（Galactic Jupiter Probes）項目。該項目將發射兩個一樣的探測器，使它們穿過小行星帶，并探索木星。這兩個探測器中，一個作為另一個的備份——如果一個失敗，則由另一個完成前者的任務。

1969年2月，NASA批準了這個項目。該項目的兩個探測器在被發射前不久被分別命名為“先驅者10號”與“先驅者11號”（Pioneer 11）。它們一開始就從“10號”開始編號，是因為NASA從1958年開始已發射多個先驅者探測器，它們的編號依次為0、1、2、3、4、P-1、P-3、5、P-30、P-31、6（A）、7（B）、8（C）、9（D）與E。這些探測器分別被用以探測月球與研究太陽性質，有的成功，有的失敗。

“先驅者10號”與“先驅者11號”一開始的編號為F與G。它們分別是先驅者系列中第一個與第二個探索外行星的探測器。所有先驅者系列探測器都由ARC的先驅者號團隊負責運營。

先驅者6-13號的外形的藝術想象圖。最左為先驅者6、7、8、9號，左二為先驅者10號與11號，左三與最右分別是探測金星的先驅者12號與先驅者13號。圖片來源：NASA結構與儀器

先驅者10號是無人飛船。它有以下幾大重要部件：電源、推進與姿態控制系統、科學儀器與天線。

為了解決外太陽系太陽能不足的問題，先驅者10號安裝了4個放射性同位素熱電機（radioisotope thermoelectric generators，RTG），使用壓縮钚-238氧化物球，因此該電源也被稱為钚核電池。它們被放置在兩個三桿桁架上，兩個桁架之間的夾角為120度，距離探測器上的儀器足夠遠，就像蝸牛伸出的兩個觸角。在剛發射時，RTG產生的熱可以制造出約155瓦的電功率。由于放射性物質的衰變，RTG的功率會不斷降低，但在飛到木星時，其輸出電功率依然有140瓦，而探測器正常運行只需要100瓦的電功率。

先驅者10號與11號的4個放射性同位素熱電機中的2個被放置在一個延伸桁架上。圖片來源：https://history.nasa.gov/SP-349/ch3.htm

先驅者10號上安裝了6個MR-103肼推進器，它們被配成3對，用于改變速度、控制姿態與調整旋轉速度。推進器里面的36千克推進劑被裝在直徑為42厘米的球形箱子里。

先驅者10號上面的儀器有：氦矢量磁強計（Helium Vector Magnetometer，HVM）、四球面等離子體分析儀（Quadrispherical Plasma Analyzer）、帶電粒子設備（Charged Particle Instrument，CPI）、宇宙線望遠鏡（Cosmic Ray Telescope，CRT）、蓋革管望遠鏡（Geiger Tube Telescope，GTT）、俘獲輻射探測器（Trapped Radiation Detector，TRD）、流星體探測器（Meteoroid Detectors）、小行星/流星體探測器（Asteroid/Meteoroid Detector，AMD）、紫外光度計（Ultraviolet Photometer）、成像偏振測光計（Imaging Photopolarimeter，IPP）與紅外輻射計（Infrared Radiometer）。

圖：先驅者10號（也是先驅者11號）的結構圖。主天線（高增益天線）中間未被標注的是中增益天線。圖片來源：NASA，Vectors by Mysid；王善欽譯

先驅者10號的無線電通信系統包括一個直徑2.7米的拋物面高增益天線與一個中增益天線。天線用以接收地球上的深空網絡站點（DSN）發送的信號指令，并向DSN發送獲得的數據。

根據儀器的名稱，我們會發現它們中的大部分將被用以探測宇宙線、各種帶電粒子、等離子體、磁場、流星、小行星。其余的儀器負責拍攝紫外線、可見光與紅外線圖像。

先驅者10號上面的成像偏振測光計由口徑僅為2.54厘米（1英寸）的小望遠鏡與兩個探測器組成。這兩個探測器分別與紅色濾光片與藍色濾光片匹配。光進入望遠鏡之后，經過濾光片，然后在探測器上成像。結合兩個探測器得到的圖像，可以合成目標幾乎真實的顏色。

所有儀器與零部件安裝好之后，先驅者10號的長度（從中增益天線開始到飛船尾部）為2.9米，最大直徑（即高增益天線的直徑）為2.7米。在升空之前，先驅者10號的質量為258千克。

即將完工的先驅者10號。圖片來源：NASA Ames Research Center

先驅者10號升空

1972年3月3日（世界標準時），先驅者10號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。這款火箭為先驅者10號定制了推力巨大的第三級固體發動機，它可以將探測器加速到14.4千米每秒，這是先驅者10號可以飛到木星的重要保證之一。

先驅者10號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。圖片來源：NASA Ames Resarch Center (NASA-ARC)

因為速度巨大，先驅者10號僅用了19分鐘就進入行星際空間（行星與行星之間的空間被稱為行星際空間；恒星與恒星之間的空間被稱為星際空間；二者并不相同，不能混淆）。11小時后，先驅者10號經過月球，成為截至當時為止最快的人造天體。

火箭還使升空后的先驅者10號以每分鐘60轉的速度繞著高增益天線的對稱軸旋轉。隨著三個桁架（第三個桁架用以放置氦矢量磁強計）伸出，它的轉速降低到每分鐘4.8轉，此后它保持這個轉速自轉。自轉的一個目的是控制穩定，另一個目的是使探測器可以在目標區域附近改變望遠鏡或探測器的指向，進行更大范圍的成像或測量。

發射之后10天內，先驅者10號上面的儀器被先后啟動。在穿越行星際空間時，先驅者10號成為第一個探測到行星際氦原子的探測器，并探測到來自太陽風的高能鋁離子與鈉離子。

先驅者10號的藝術想象圖。圖片來源：NASA/Don Davis

發射后僅12周，先驅者10號穿過火星軌道，并朝著位于火星與木星軌道之間的小行星帶飛去。這里分布著大量小行星，因此得名。

1972年7月15日，先驅者10號進入小行星帶，成為第一個進入小行星帶的航天器。

1972年8月7日，先驅者10號在距離太陽2.2天文單位（3.3億千米）處探測到一次猛烈的太陽風爆發時產生的激波，為太陽物理的研究提供了重要的數據。

在穿行小行星帶期間，先驅者10號沒有受到大的塵埃顆粒的碰撞，這表明小行星帶內部非常空曠。在此期間，先驅者10號精確確定了小行星帶內不同尺寸的塵埃顆粒的密度，并測量了行星際空間塵埃顆粒散射陽光后形成光（“黃道光”）的強度。

1973年2月15日，先驅者10號安全穿出小行星帶，前往木星，此時它已經飛行了約4.35億千米。

先驅者10號飛掠木星系統

1973年11月6日，先驅者10號距離木星2500萬千米，先驅者號團隊發出指令，開始測試它的成像系統，隨后成功獲得木星的圖像。在靠近木星的過程中，它拍攝到大量月牙狀的木星；隨著它即將進入木星陰影區，它看到“月牙”越來越細。先驅者10號接近木星期間多次拍攝的木星，顯示出明顯的類似于月相變化的現象。圖片來源：NASA

1973年11月26日，先驅者10號探測到的太陽風粒子的數目急劇減少，溫度升高約100倍，這意味著它到達木星磁層邊緣、開始進入木星磁層。在木星磁場邊緣，太陽風撞擊磁層，形成弓形激波；磁層對太陽風的阻擋導致太陽風速度大大降低。這一天，先驅者號團隊收到先驅者10號拍攝的12張木星圖像。一天后，先驅者10號穿過木星磁層頂。

1973年11月29日，先驅者10號穿過了木星的所有外層衛星的軌道。從12月1日開始，離木星足夠近的先驅者10號拍攝的木星照片的品質超過了當時地球上望遠鏡能夠得到最好的木星圖像品質。

1973年12月3日，先驅者10號開始飛掠木星系統。它于當天的12:26:00、13:56:00、19:26:00與22:56:00依次飛掠了木衛四（距離139.23萬千米）、木衛三（距離44.625萬千米）、木衛二（距離32.1萬千米）與木衛一（距離35.7萬千米）。

先驅者10號于1973年12月2日-6日的運行軌跡以及它于1973年12月4日飛掠木星系統時木星與其四顆衛星的位置。圖片來源：Tomruen；王善欽譯

先驅者10號拍攝的木衛三的圖像表明后者的中央和南極附近的反照率較低，北極更亮。

先驅者10號于1973年12月3日拍攝的木衛三。圖片來源：NASA

先驅者10號與木衛二的距離始終太遠，因此人們無法從它拍攝的木衛二圖像中分析出足夠的細節。但是，它得到的圖像依然表明木衛二的整體反照率比較高，且擁有一些比較寬的暗區域。這些特征被后來的其他探測器進一步證實。

先驅者10號于1973年12月3日拍攝的木衛二的圖像。圖片來源：NASA

1973年12月4日02:26:00，先驅者10號到達它的近木點（物體圍繞木星運轉的軌道中最接近木星的點），距離木星云頂13.2252萬千米。此時，它的速度為35千米每秒。10分鐘后，先驅者10號穿越木星赤道面。大約78分鐘后，它進入木星背后（相對當時地球的視線方向），進行無線電掩蔽實驗。

先驅者10號飛掠木星期間拍攝的木星。圖中黑點是木衛一的投影。圖片來源：NASA

在靠近木星期間，木星對先驅者10號的輻射強度一度達到預期強度的大約10倍。強輻射嚴重干擾了先驅者10號的多個儀器，使它們先后暫時失靈，并導致了大量指令發生錯誤。幸好，在系統即將徹底報廢前幾分鐘，輻射強度突然降低，先驅者號團隊也通過應急命令糾正了大部分錯誤指令。

此后，先驅者號團隊分析了輻射突然降低的原因，發現這是因為木星的磁場是環繞著赤道的環向磁場，而且會擺動。這使得木星磁場從某個時刻開始不再籠罩先驅者10號，后者因此死里逃生。

盡管木星的強輻射干擾了先驅者10號，但上面的11個儀器中依然有6個始終正常工作，成像系統向地球傳回了木星及它的一些衛星的約500張圖像。這些圖像中分辨率最高的達到320千米每像素。

1974年1月1日，先驅者10號結束探測木星系統的任務，開始執行星際任務。[注2]1997年3月31日，先驅者10號結束所有任務。

先驅者10號一度是距離太陽最遠的人造天體。1998年2月17日，旅行者1號超越先驅者10號，當時二者距離地球約69.419天文單位（104.1億千米）。從那時到現在，先驅者10號是距離太陽第二遠的人造天體。2023年4月，旅行者2號將超越先驅者10號，從而使后者成為距離太陽第三遠的人造天體。

2002年4月27日，地面最后一次接收到它發回的數據，此時它距離地球80.22 天文單位。2003年1月23日，地面最后一次接收到它的微弱信號。2003年2月7日，地面無法聯系上它。

給外星人的金屬牌

先驅者10號上面放置著一個包含一些重要信息的鍍金鋁牌。這是人類首次在探測器上安放、意在讓外星人了解地球信息的信息牌。此后的先驅者11號、旅行者1號與旅行者2號都采用了類似方案，其中先驅者11號上的牌子與先驅者10號上的牌子完全一樣。[注3]

先驅者10號上面的牌子的質量約120克，它的寬度、高度與厚度分別為22.86厘米、15.24厘米與1.27毫米。

先驅者10號上面攜帶的銘牌。圖片來源：NASA

牌子左上方是氫原子超級精細結構躍遷的圖。氫原子的電子的自旋方向改變時，發射出的光子的周期是0.704納秒，[注4]1納秒等于10億分之1秒。這個信息可以讓外星人了解人類測量時間的方式之一。在兩個氫原子之間的連線的中點處，有一個非常短的垂直線，代表二進制的1。

牌子中左側多條線的中心表示太陽系。從這個中心點向右邊延伸過去的最長的線表示太陽與銀河系中心的相對距離；從中心向周圍散開的另外14條線代表地球與14顆脈沖星的相對距離。這14條線由二進制數字構成，表示對應的脈沖星的自轉周期。外星人可以通過周期找到對應的脈沖星，從而確定出太陽系的位置。

牌子中的人像表示地球上成年男性與女性的輪廓。男性舉起的右手表示友好。女性的頭與腳的地方的平行線夾著的符號表示二進制的8，表示這位女性的身高約為8英尺（168厘米）。與人像部分重疊的是先驅者10號的輪廓，與人的大小嚴格成比例。

牌子的最下方是太陽系，從左到右依次是太陽、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星與冥王星；曲線代表先驅者10號的飛行軌跡：從地球出發，飛掠木星后離開太陽系。行星上方或下方的符號代表它們與太陽的相對距離的二進制數字，單位是水星軌道平均半徑的0.1倍。

被放置到先驅者10號上面的銘牌。圖片來源：NASA/HQ

現在，先驅者10號朝著恒星畢宿五（金牛座α星）的方向前進。畢宿五是一顆紅巨星，距離太陽系約65光年（1光年接近10萬億千米），先驅者10號需要200多萬年才能到達它。

2019年，有人[注5]用Gaia衛星獲得的恒星位置與運動速度、方向的數據推斷出更“樂觀”的結果：約9萬年后，先驅者10號將飛掠矮星HIP 117795，與它最近時的距離為0.75光年；這是它未來幾百萬年內它能夠遇到的最近的恒星。不過，0.75光年約為地球與太陽之間距離（1.5億千米）的5萬倍，外星人所在的星球不可能離母恒星那么遠。因此，要想讓先驅者10號被外星人（如果有）截獲，還需要更漫長的歲月。

月掩畢宿五。圖片來源：Christina Irakleous

碩果累累，意義重大

先驅者10號創造了多個第一：它是第一個探測外行星的探測器，它是第一個穿越小行星帶的探測器，它是第一個近距離探測木星系統的探測器，它是第一個達到第三宇宙速度從而可以離開太陽系的人造天體，它是第一個使用核電池的探測器，它是第一個實現引力輔助加速與變軌的外行星探測器，等等。

它對木星的探測，實現了人類近距離觀測木星的夢想，獲得了豐碩的成果。從開始觀測到結束觀測，在近60天的時間內，先驅者號團隊共發出約16000條指令，讓先驅者10號執行了各種觀測任務。在此期間，它17次穿越木星磁層的弓形激波，拍攝了木星及其衛星的約500張圖像，測量或觀測了木星的磁層、輻射帶、磁場、大氣、引力場等各種性質，大大深化了人類對木星系統的認識，并開啟了木星各方面研究的先河。

先驅者10號的成功為先驅者11號（探測木星與土星）、旅行者1號（探測木星與土星）、旅行者2號（探測木星、土星、天王星與海王星）、伽利略號（探測木星）、朱諾號（探測木星）、卡西尼-惠更斯號（探測土星與土衛六）、新視野號（探測冥王星）等探測器積累了寶貴的經驗，成為它們的先驅。

為了紀念先驅者10號的貢獻，美國郵政局于1975年2月10日發行了一枚以先驅者10號為主題的紀念郵票。

1975年被發行的先驅者10號的郵票。圖片來源：US Post Office; Hi-res scan of postage stamp by Gwillhickers

先驅者10號啟動了人類探索外行星的時代，在外行星探測領域的荒漠中制造出第一片綠洲。此后，隨著其他外行星探測器獲得成功，更多綠洲涌現出來。

注釋

[注1]英文中的Grand Tour原意指歐洲人或英國人巡游整個歐洲大陸，其含義與漢語中的“壯游”對應。

[注2]早在它穿出小行星軌道時，先驅者號團隊就已選擇了一條路徑，使其在飛掠木星系統時可以借助木星強大引力產生的“引力彈弓”效應來實現加速與變軌，飛離太陽系。先驅者10號飛掠木星時實現了這個方案，它也因此成為第一個實現引力加速變軌方案的外行星探測器。

[注3]在先驅者10號與11號上放置金屬牌的想法最早由埃里克·博格斯（Eric Burgess，1920-2005）最早提出。他希望高級智慧生命（外星人）將來截獲在太空中漫游的探測器，通過牌子知道宇宙中還有另外一群智慧生命生活在太陽系的地球上，并知道地球與人類有關的信息。博格斯將這個想法告訴卡爾·薩根（Carl Sagan，1934-1996）。薩根對這個想法極有興趣，并正式向NASA申請執行這個計劃。NASA批準了這個想法。薩根與弗蘭克·德雷克（Frank Drake，1930-2022）合作設計了這個牌子。牌子上的插圖由薩根當時的妻子琳達·薩根（Linda Salzman Sagan，1940-）負責。

[注4]這種躍遷產生的電磁波的波長是21.106厘米，頻率是1420.405 MHz，該頻率對應的周期是0.704納秒。

[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. 這篇論文的擴展版本見：arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/abs/1912.03503)

出品：科普中國

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