旅行者1號已經飛行40多年了,現已不受控制,為何沒有發生碰撞?

天空之城 2022/09/22 檢舉 我要評論

為了更加近距離地探索地外天體,進入本世紀中葉以來,世界各國的科學家們,除了研制更加精密和先進的天文望遠鏡以外,還向太空中發射了眾多探測器,從而可以在需要觀測的目標天體的環繞軌道上、或者降落到目標天體上、或者從天體附近掠過,這樣觀測到的圖像或者獲取的相關數據,要比天文望遠鏡更加清晰、準確。

目前人類向月球發射了110多顆探測器,向火星發射了近60顆探測器,為我們深入了解地外天體、探索太陽系形成演化規律提供了重要的科學依據。

這些深空探測器,受技術條件和能源的限制,在完成既定使命以后,絕大部分都無法再返回到地球,迎接它們的命運,無外乎墜落到大型天體之上、繼續環繞天體運行、在太空中游蕩、撞擊到小行星等幾種。

拿旅行者1號來說,它是于1977年9月發射的一枚深空探測器,主要目標是對太陽系內的木星、土星及其衛星進行探測,在1980年完成既定任務以后,按照原有的運行軌道,持續向太陽系外進發,目前已經到達距離地球220億公里的深空,成為真正意義上的「星際流浪者」。

在太陽系中,除了體積和質量較大的行星、衛星之外,還分布著大量的小行星、彗星以及星際巖石和塵埃(最為集中的當屬木星和火星之間的小行星帶,海王星軌道外側的柯伊伯帶),在40多年的時間里,在行進220億公里的漫長征程中(相對于人類天文探測的距離來說),旅行者1號為什麼既沒有被其它天體的引力所俘獲,也沒有發生被其它天體和星際物質碰撞的事件呢?

首先,從探測器經過的大型天體來看,按照天體逃逸速度公式計算,火星、木星和土星的逃逸速度分別為5.02公里/秒、59.5公里/秒和35.5公里/秒,由于火星的質量較小,所以達到5.02公里/秒的速度,對于旅行者1號來說綽綽有余,畢竟逃離地球引力束縛的速度就已經超過這個數值。

但對于太陽系的巨無霸行星-木星和土星來說,要想從它們的表面逃離,所需要的速度就非常大了,僅靠旅行者的初始速度以及攜帶能源的推動,很難達到目的。

所以,當旅行者1號跳過火星軌道,直達木星時,科學家們就早已經算好了行進的路線,使之既能在較近的距離來觀測木星和土星,同時又不會落入到兩顆大行星的「引力勢阱」中,也就是說從兩顆行星仍有一定距離的區域掠過,從而避免了墜入行星表面的狀況,同時還能夠利用兩顆行星的「引力彈弓」效應進行加速。

利用這樣的「人為干預」,旅行者1號在探測完土星以后,運動速度就被提升到了17公里/秒,此后就逐漸脫離太陽系的黃道平面,轉向沿著銀河系的銀道面行進,此后在太陽系內,再也遇不到大質量的天體了。

后續對太陽系外圍行星的探測任務,則交給了它的「兄弟」-旅行者2號,為了避免旅行者2號被天王星、海王星等天體引力所俘獲,科學家們同樣精心、精密測算好了探測器的運行軌道。此后從與旅行者1號不同的方向,進入太陽系的外圍空間,開啟了遠日之旅。

可以說,在太陽系「行星世界」的范圍內,旅行者系列探測器之所以沒有被大型天體的引力所捕獲,基礎是人為參與和探測的結果,在它們行進過程中,根據相應模型推演和預測的結果,不斷修正了運行軌道,使之長時間處于「安全范圍」。而它們穿越小行星帶以及后續的柯伊伯帶的過程,則沒有人類的助力,更多的是依靠運氣了。

當然,深空探測器的運氣,也不是平白無故地被人類所賦予的,而是科學家們經過認真測算后,得出它們碰撞到這些小天體的幾率很低,基本上可以忽略的地步,以至于在配置這些探測器的儀器設備時,并沒有安排自主感應和相應的避讓措施,最大限度地減輕探測器的載荷重量,繼而達到增加能源供給、延長通訊時間的目的。

拿小行星帶來說,根據目前的觀測結果,其間分布著至少50萬顆小行星,但由于它們分布區域的寬度,達到1.5個天文單位,再加上所有小行星的總質量很小,只有月球質量的二十五分之一,而且主要集中在幾個質量較大的小行星體上(比如谷神星、灶神星、智神星等)。

因此,換算下來,在這麼廣闊的區域內,大約3萬億平方公里的范圍中只有1顆小行星(以太陽系黃道平面為衡量標準,垂直方向上不考慮),小行星與小行星之間的平均距離,將達到100萬公里以上,這是什麼概念?大家心里可以估算一下,地球的直徑從1.2萬公里,如此廣闊的「空隙」,要是碰上一顆小行星,才算「中了大獎」了。

而海王星軌道之外的柯伊伯帶,雖然擁有的小行星數量更多,達到100萬顆以上,但是它們的分布區域范圍更廣,綿延寬度達20個天文單位以上,而且個頭更小,在這里兩顆小行星之間的平均距離,將達到上千萬公里,探測器要想撞上它們幾率就更加渺茫了。之后旅行者1號所要穿越的太陽系奧爾特云,星際物質密度更低,個頭較大的天體之間距離更被拉大,要是撞上它們,無異于像在一片沙漠中尋找到一粒沙子般困難。

綜上,旅行者1號在發射后40多年里,在行進220億公里的漫長旅途中,沒有發生碰撞事件,主要是因為和小行星相撞的幾率太小了,基本上可以忽略不計。而之前在太陽系內部沒有被大型天體所俘獲,主要是人類「精確制導」的結果。

旅行者1號目前的電池電量已經快要消耗殆盡,也早已與地球失去了信息聯系,在宇宙深空中飄蕩的過程中,它雖然受到小行星撞擊的幾率非常低,但也會時刻受到稀薄太空氣體和星際塵埃的影響,至于它能堅持到什麼時候,會產生什麼樣的影響,最終會飛到哪里,我們人類將不得而知,只能默默地祝福它了。

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