旅行者1号（Voyager 1）不仅仅是一艘太空探测器，它是人类历史上最远、运行时间最长的探测器，也是第一个进入星际空间的人造物体。它承载着探索外太阳系和最终抵达星际介质的使命，至今仍在向地球传回宝贵的数据。
旅行者1号是什么？它的主要任务是什么？
旅行者1号是美国国家航空航天局（NASA）在旅行者计划中发射的一艘无人探测器。它于1977年9月5日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空，比它的双胞胎探测器旅行者2号晚发射，但由于选择了更快的轨道，它先于旅行者2号抵达了木星和土星。
它的主要任务最初是利用20世纪70年代末到80年代初出现的大约每175年才发生一次的罕见的行星对齐机会，对太阳系的巨大行星——木星和土星进行详细考察。通过精确计算的轨道，探测器可以利用这些行星的引力弹弓效应（Gravity Assist），在飞越行星时加速并改变方向，从而无需携带大量燃料就能前往下一个目标，并最终获得逃离太阳系的速度。
虽然旅行者计划最初规划了可能的“行星之旅”（Grand Tour），即依次飞越木星、土星、天王星和海王星，但旅行者1号的任务重点是近距离飞越土星最大的卫星——泰坦（Titan）。由于泰坦浓厚的大气层引起了科学家的极大兴趣，任务规划者决定让旅行者1号在飞越土星后朝一个更倾斜的轨道前进，以便详细探测泰坦，但这同时也意味着它将无法继续前往天王星和海王星。这个选择确保了对泰坦的独特观测，并最终使其进入了飞离黄道面、驶向星际空间的轨迹。
旅行者1号去了哪里？它访问了哪些天体？
旅行者1号的旅程充满了里程碑式的飞越：
- 木星（Jupiter）：于1979年3月5日最近距离飞越木星。在飞越期间，它拍摄了大量木星及其卫星和光环的高分辨率图像，并进行了广泛的科学测量。
- 土星（Saturn）：于1980年11月12日最近距离飞越土星。在飞越土星及其巨大的环系统时，它提供了前所未有的细节图像和数据。
- 泰坦（Titan）：在飞越土星之后，旅行者1号执行了对土星卫星泰坦的近距离飞越（1980年11月12日），这是任务中最关键的一个决策点。尽管泰坦浓厚的大气层阻挡了可见光成像，探测器上的仪器仍然提供了关于泰坦大气成分、温度和压力的重要信息，确认了其富含氮气和碳氢化合物的大气层，类似早期地球，极大地提升了对这个奇特卫星的认知。正是这次飞越，使旅行者1号的轨道向上偏离了太阳系的黄道面，朝着太阳系外围前进。
在完成木星和土星的飞越后，旅行者1号的任务进入了星际探索阶段。它穿越了太阳系最外层的气体和尘埃稀薄区域，并于2012年8月25日正式跨越了日球层顶（Heliopause），进入了真正的星际空间。日球层顶是太阳风的粒子流被来自银河系的其他恒星的星际介质的压力所阻挡而停止的边界区域。
所以，旅行者1号现在所在的地方是太阳系的影响范围之外——星际空间。它正在广阔的银河系中继续它的旅程。
旅行者1号现在在哪里？距离地球有多远？它的速度是多少？
截至目前（不断变化），旅行者1号位于太阳系的边缘之外，处于星际空间中。它是距离地球最远的人造物体。
它的确切距离持续增加。大致而言，它现在距离地球超过240亿公里（约合160多个天文单位，AU）。一天文单位是地球到太阳的平均距离，约1.5亿公里。由于光速是有限的（约30万公里/秒），从旅行者1号发送的信号抵达地球需要大约22个小时。
旅行者1号的当前速度约为每秒17公里（约合每年3.5天文单位）。这个速度是它在完成土星飞越时通过引力弹弓效应获得的，足以使其最终逃离太阳系，不会再回到内太阳系。它将继续以这个速度向着银河系中心的大致方向前进。
旅行者1号是如何工作的？它是如何供电和通信的？它携带了哪些科学仪器？
供电系统：放射性同位素热电源
旅行者1号在如此遥远的地方运行，无法依赖太阳能电池板，因为太阳光已经极其微弱。它的动力来源是放射性同位素热电源（Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG）。
旅行者1号携带了三个RTG。每个RTG内部都包含钚-238（Plutonium-238）燃料。钚-238在衰变过程中会产生大量的热量，这些热量通过温差电偶直接转化为电能。RTG是一种非常可靠、寿命长的电源，非常适合深空探测任务。
然而，随着钚-238的不断衰变，RTG产生的功率会逐年下降。最初发射时，旅行者1号的RTG总共产生约470瓦的功率。现在，可用的功率已经下降到初始值的一半以下，并且还在继续减少。为了延长任务寿命，地面团队必须有选择性地关闭探测器上的加热器和一些非关键的科学仪器，以节省电力供应仍在运行的关键仪器和通信系统。
通信系统：深空网络
与旅行者1号进行通信依赖于NASA的深空网络（Deep Space Network, DSN）。DSN在全球有三个主要地面站，分别位于美国加利福尼亚州（Goldstone）、西班牙（Madrid）和澳大利亚（Canberra）。这三个站点战略性地分布在全球，确保地球自转时至少有一个地面站能够“看到”旅行者1号，与之保持联系。
旅行者1号使用低功率的S波段（2.1 GHz）和X波段（8.4 GHz）无线电发射机与地球通信，数据传输速率非常低，尤其是在遥远的星际空间。由于距离遥远，信号非常微弱，需要DSN巨大的抛物面天线（直径最大可达70米）来接收这些微弱的信号，并将指令发送回探测器。信号单程光速传播时间超过22小时，这意味着地面团队发送一个指令，需要等待44小时以上才能收到确认或响应。
科学仪器：探索宇宙的“眼睛”和“耳朵”
旅行者1号携带了一系列科学仪器，用于测量行星和星际空间环境的各种性质：
- 成像科学子系统（Imaging Science Subsystem, ISS）：包括窄角和广角摄像机，用于拍摄行星、卫星和环的图像。为了节省电力，摄像机在飞越土星之后不久就被关闭了。
- 射电科学子系统（Radio Science Subsystem, RSS）：利用与地球通信的无线电信号，通过信号的折射和衰减来研究行星大气和环的物理性质。
- 等离子体子系统（Plasma Subsystem, PLS）：测量等离子体（带电粒子）的密度、温度和速度。这个仪器在探测器跨越日球层顶时对确认进入星际空间起到了关键作用，但后来由于电力限制被关闭。
- 宇宙射线子系统（Cosmic Ray Subsystem, CRS）：探测和测量宇宙射线粒子的种类、能量和方向。对于研究太阳系外的宇宙射线进入日球层的情况以及星际空间的宇宙射线成分至关重要。
- 低能带电粒子实验（Low-Energy Charged Particle, LECP）：测量低能量带电粒子（如质子和电子）的流量和分布。与CRS一起研究带电粒子环境。
- 磁强计（Magnetometer, MAG）：测量行星和星际空间的磁场强度和方向。对了解行星磁层结构和星际磁场至关重要。
- 等离子体波子系统（Plasma Wave Subsystem, PWS）：测量等离子体中的电场和磁场波动，以及自然产生的无线电波。在探测器穿越日球层顶时，PWS探测到的等离子体密度急剧增加的证据是确认进入星际空间的关键证据之一。
- 红外干涉光谱仪和辐射计（Infrared Interferometer Spectrometer and Radiometer, IRIS）：测量行星、卫星和环发出的红外辐射，以确定温度和大气成分。这个仪器也已关闭。
- 紫外光谱仪（Ultraviolet Spectrometer, UVS）：测量天体发出的紫外辐射，以研究大气成分和结构。这个仪器也已关闭。
旅行者1号在旅途中取得了哪些重要的科学发现？
旅行者1号的旅程充满了突破性的发现：
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木星：
- 首次详细揭示了木星复杂的大气动力学，包括大红斑的详细结构。
- 发现了木星的光环，这是地面观测无法看到的。
- 在木星卫星木卫一（Io）上发现了活跃的火山喷发，这是人类首次在太阳系其他天体上观测到活跃火山活动，极大地改变了对外太阳系卫星的认识。
- 提供了木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）和木卫四（Callisto）的详细图像，为后来探测这些可能存在地下海洋的卫星奠定了基础。
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土星：
- 提供了土星环无与伦比的细节图像，揭示了其复杂精细的结构，包括“辫状环”（braided rings）和环中的“辐条”（spokes）。
- 精确测量了土星的质量和形状。
- 对卫星泰坦进行了首次近距离探测，确认了其富含氮气和碳氢化合物的浓厚大气层，这是太阳系中除地球外唯一拥有如此厚重大气层的卫星。
- 发现了土星的几颗新卫星。
- 探测了土星的磁场。
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星际空间：
- 确认了日球层顶的存在及其大致位置，这是太阳风影响范围的终结边界。
- 提供了关于星际介质中磁场强度和方向的直接测量数据，发现星际磁场比预期更强且方向与日球层外的磁场方向一致。
- 测量了星际介质中带电粒子（等离子体）的密度，并首次观测到来自星际空间的等离子体波。
- 测量了进入太阳系外的宇宙射线的组成和能量，这些宇宙射线来自银河系内的超新星爆发等高能天体物理事件。
- 证明了日球层确实是抵挡大部分低能宇宙射线的有效“保护罩”。
- 提供了关于日球层如何与星际介质相互作用的独特视角。
旅行者1号上的“金唱片”是什么？为什么携带它？
旅行者1号（以及旅行者2号）携带了一张特殊的“金唱片”（Golden Record），正式名称是“地球之声”（Sounds of Earth）。这是一张镀金的铜质唱片，附带了一个唱机针和播放说明（用科学符号表示）。
携带金唱片的目的是作为一个时间胶囊，向可能在遥远未来发现探测器的任何地外智慧生命传递关于地球生命和人类文明的信息。它是一种星际信息交流的尝试。
金唱片的内容由一个委员会挑选，其中最著名的成员是卡尔·萨根博士。内容非常丰富多样，包括：
- 声音：地球上各种自然声音（如风、雨、雷、海浪、动物叫声），人类问候语（用55种不同语言），以及各种音乐（涵盖古典、民族和现代音乐）。
- 图像：编码为音频信号的116张图像，内容涵盖地球的地理位置、太阳系信息、数学和物理基础、人类解剖结构和生理过程、人类社会生活、文化景象以及科学技术成就等。
尽管旅行者1号最终被地外生命发现的可能性微乎其微，且即使发现，这些生命也必须具备解读金唱片中科学符号的能力，但这块金唱片代表了人类向广袤宇宙发出的微弱而充满希望的声音，体现了人类探索未知和渴望交流的精神。它静静地固定在探测器侧面，伴随旅行者1号穿越宇宙。
旅行者1号目前的状态如何？未来会怎样？
旅行者1号目前仍在运行，继续探测星际空间的环境，并向地球传回数据。然而，它的状态面临严峻的挑战：电力供应不断衰减。
随着RTG功率的下降，NASA团队必须做出艰难的决定，逐步关闭探测器上的仪器和加热器。目前，一些最关键的仪器，如宇宙射线子系统、低能带电粒子实验、磁强计和等离子体波子系统仍在运行，它们是获取星际空间数据的主力。但为了维持这些仪器和通信系统的运行，探测器上的加热器大多已被关闭，许多内部部件现在运行在零度以下的温度，这对电子元件的长期稳定性是巨大的考验。
通信系统也是面临挑战。虽然DSN的接收能力非常强大，但随着距离增加，信号强度呈平方反比衰减，接收信号变得越来越困难。团队正在采用各种技术来优化接收，例如将多个天线组合起来形成一个更大的“虚拟”天线。
预计在未来几年内（可能在本世纪20年代末或30年代初），旅行者1号的电力将不足以维持所有仍在运行的科学仪器，届时将需要进一步关闭仪器。最终，当电力降至无法维持通信发射机运行时，旅行者1号将彻底失联，它的科学任务也将结束。
即使失联，旅行者1号仍将继续以其当前的速度穿越星际空间。它将默默地飞行数十万年甚至数百万年，其轨道最终可能使其在漫长的时间尺度上接近其他恒星。例如，经过大约4万年，它将飞掠距离太阳约1.6光年的一颗名为Gliese 445的恒星（届时这颗恒星的位置也会发生变化）。然而，这仅仅是理论上的轨迹推算，其能否完好无损地度过如此漫长的时间并被发现，是完全未知数。
旅行者1号是一项不可思议的工程壮举，它在设计之初的预期寿命早已被远远超越。它的持续运行为人类提供了关于太阳系边界和星际空间无与伦比的直接信息，是人类探索宇宙精神的象征。
