旅行者1號以更高品質的數據幫助人類進一步研究木星系統與土星系統。它在長途漫游過程中拍攝下的地球的照片——“暗淡藍點”——的意義超越了天文學范疇，成為人類對宇宙、地球與人類自身進行哲學思考的重要出發點之一。旅行者1號還是第一個離開太陽系的人造天體與至今為止距離地球最遠的人造天體。它的成功也直接為此后的旅行者2號完成“行星壯游”的壯舉打下了堅實的基礎。
撰文 | 王善欽
作為“行星壯游”項目的探路者，先驅者10號與先驅者11號的成功，為人類打開了探測外行星（木星、土星、天王星與海王星）的兩個天窗。然而，在這兩個探測器被發射之前的1971年12月16日，NASA宣布：取消“行星壯游”項目。此時距離該項目被正式發起（1969年）才2年。
“行星壯游”項目被取消的原因在于經費。當時該項目的預算高達10億美元，相當于現在的約50多億美元。另一方面，從1965年開始，NASA獲得的經費就逐年減少；阿波羅登月計劃于1969年成功之后，同年上任的總統尼克松進一步削減NASA的年度經費。1971年，NASA只能在航天飛機項目和“行星壯游”項目中二選一。NASA選擇了航天飛機項目。
旅行者號：“行星壯游”的浴火重生
“行星壯游”項目被取消，無疑是一個巨大的悲劇。
幸運的是，NASA的“外行星工作組”（Outer Pl.NETs Working Group）在1969年推薦“行星壯游”項目的同時，也推薦了一個備選方案：建立一個只探測木星與土星的項目，該項目的預算相對低得多。1971年，針對“行星壯游”項目最后一次討論表決會上，專家組在通過該項目的同時，也強調了這個備選方案。NASA在最終決定取消“行星壯游”項目時，也給了備選方案高度評價。
這個備選方案為“行星壯游”項目贏得浴火重生的機會。1972年1月，噴氣推進實驗室（JPL）就開始轉向該備選項目的準備；同年5月，NASA正式批準了這個備選項目，它就是“水手木星-土星”（Mariner Jupiter-Saturn，MJS）項目。
MJS項目將發射2個完全一樣的探測器，其中第二個探測器作為第一個探測器的備件。MJS項目被提出時，JPL已經運營了探測水星、金星與火星的水手1號到9號，水手10號也即將被發射。MJS項目的兩個探測器因此被分別命名為“水手11號”與“水手12號”。該項目的預算為3.6億美元。
由于MJS項目的水手11號與水手12號探測的是外行星，與水手系列的其他探測器在探測目標上有較大差異，因此它們在1977年3月7日分別被改名為“旅行者1號” （Voyager 1）與“旅行者2號” （Voyager 2），從而不再屬于水手系列，但依然由JPL的團隊運營。
旅行者1的探測目標是木星、土星與土衛六，其軌道代號是“JST”，這3個字母分別是上述3個天體的英文首字母。
旅行者1號與旅行者2號的軌道示意圖。旅行者1號沿著“JST”方向運動，旅行者2號沿著“JSX” 方向運動。X有兩種可能，X=TB代表包括土衛六飛掠任務（針對旅行者1號失敗的情況）；X=U代表包括天王星飛掠任務（針對旅行者1號成功的情況）。軌道上的時間刻度以0.5年為單位。丨圖片來源：NASA；翻譯：王善欽
結構與儀器
旅行者1號的質量為825.5千克，其中飛船自身質量為721.9千克。它有16個用于姿態控制的MR-103肼推進器、8個備用推進器、三軸穩定陀螺儀、天體坐標參考設備、無線電通信系統、能源系統、11個科學儀器、用于中途改變軌道的固體發動機與8個推進火箭發動機。
旅行者1號與2號的模型圖丨圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號的無線電通信系統包括一個直徑3.7米的拋物面高增益天線，接收地球上的3個深空網絡站點（DSN）發送的信號指令，并向DSN發送得到的數據。
1976年7月9日，一名工程師與旅行者號尚未完工的高增益天線丨圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號上面還有一個數據存儲器，即“數字磁帶記錄器（DTR）”，它可以保存64千字節的數據，這使它可以延時發送圖像。作為對比，先驅者10號與11號上面沒有DTR，拍攝的數據必須立即發送。
旅行者1號的電能由三個放射性同位素熱電機（RTG）提供。每個RTG包含24個壓縮钚-238氧化物球，因此也被稱為钚核電池。在剛發射時，RTG產生的熱可以制造出約470瓦特的電功率。由于放射性物質的衰變，RTG的功率會不斷降低。
旅行者1號與2號中的放射性同位素熱電機的一個單元丨圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號的科學儀器包括：成像科學系統（Imaging Science System）、射電科學系統（Radio Science System）、紅外干涉光譜儀（Infrared Interferometer Spectrometer）、紫外光譜儀（Ultraviolet Spectrometer）、三軸磁通門磁強計（Triaxial Fluxgate Magnetometer）、等離子體光譜儀（Plasma Spectrometer）、低能帶電粒子設備（Low Energy Charged Particle Instrument）、宇宙線系統（Cosmic Ray System）、行星射電天文調查（Planetary Radio Astronomy Investigation）系統、光偏振計系統（Photopolarimeter System）、等離子體波子系統（Plasma Wave Subsystem）。
旅行者1號與2號的結構圖丨圖片來源：NASA/JPL
在旅行者1號的儀器中，負責拍攝圖像的是成像科學系統，它重達38.2千克，包含長焦窄視場相機與短焦寬視場相機，二者使用的望遠鏡的口徑分別為17.7厘米與5.7厘米。兩個相機上面的濾光片都覆蓋了紫外到可見光的多個波段。通過這些濾光片，相機可拍攝出單色圖像，并被天文學家合成為壯麗的彩圖，其分辨率最高可達數千米每像素。
根據此前的計算，原定的“行星壯游”項目的飛船與后來作為替代者的旅行者1號及2號的發射時間窗都在1976-1980年之間。1977年9月5日，旅行者1號搭載大力神3號E-半人馬（Titan IIIE-Centaur）火箭升空。此前16天（1977年8月20日），旅行者2號已經先搭載同款火箭升空。旅行者1號在發射前被多次推遲升空，導致了這個顛倒的次序。不過，在軌道動力學專家的設計下，旅行者1號將比旅行者2號更早穿過小行星帶、造訪木星與土星。
旅行者1號搭載火箭升空丨圖片來源：NASA
1977年12月10日，旅行者1號進入小行星帶。1977年12月19日，旅行者1號飛到旅行者2號的前面。1978年09月8日，旅行者1號離開小行星帶。
飛掠木星系統
1979年1月6日，旅行者1號開始觀測木星。
1979年2月25日，旅行者1號拍攝的木星包含大紅斑的部分區域。此時旅行者1號距離木星920萬千米。圖像的分辨率達到160千米。丨圖片來源：NASA/JPL
1979年1月6日至2月3日的28天時間內，旅行者1號持續拍攝多張木星照片。在此期間，旅行者1號從距離木星5800萬千米飛行到距離木星3100萬千米。后來，這些照片被拼接為一個電影。
旅行者1號1979年1月6日至2月3日之間的照片組成的電影，為了體現出同一面特征的變化，每隔10小時（木星的自轉周期）拍攝的照片被選擇來拼接出這個視頻。在此期間，木星的大紅斑的位置幾乎不變，但高速自轉，不同緯度的云層顯示不同的移動特征。視頻中出現的黑色點是木星衛星的投影，白色光點是木星衛星自身。丨視頻來源：NASA/JPL
1979年2月10日，旅行者1號進入了木星系統。3月初，它發現了一個環繞木星的薄環，其厚度不到30千米。這是人類首次確認木星有環。1979年3月4日與5日，旅行者1號先后發現木衛十四與木衛十六。
旅行者1號拍攝的木星環丨圖片來源：NASA/JPL
1979年3月5日12:05:26，旅行者1號到達木星近拱點，此時它距離木星云頂約28萬千米。在飛掠木星前后，它拍攝了大量高品質圖像，探測了木星的磁場、重力場、大氣，等等。
由旅行者1號獲得的木星大紅斑的數據合成的大紅斑偽色圖丨圖片來源：NASA/JPL
飛掠木星后，旅行者1號在同一天先后飛掠木衛一（距離2.057萬千米）與木衛二（距離73.376萬千米）。
1979年3月，旅行者1號拍攝的木星、木衛一（左）與木衛二（右）的合影。丨圖片來源：NASA
相比先驅者10號與先驅者11號飛掠木衛一的距離（分別為35.7萬千米與31.4萬千米），旅行者1號與木衛一的距離（2.057萬千米）小得多，因此得以觀測到木衛一的大量細節。
由旅行者1號于1979年3月5日在45萬千米處拍攝到的多張木衛一的圖像合并而成的木衛一圖像（左）與其中的佩爾（Pele）火山爆發后回落的物質形成的心形區域（右）。佩爾火山口附近是洛基（Loki）火山。心形區域中心的黑色裂縫為火山口，火山爆發后噴發出的物質下落后，形成了心形區域。丨圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號直接拍攝到木衛一上面火山的爆發現象。這是人類首次在地球之外的天體上面發現火山爆發。有趣的是，就在這個發現前不久，天文學家已經從根據理論計算預言木衛一存在火山活動。研究表明，木衛一是太陽系中火山活動最活躍的天體。它上面的火山噴發出的富含硫的物質落在它的表面，形成紅色、橙色和黃色的表面。
旅行者1號于1979年3月4日拍攝的木衛一的部分區域（左）與旅行者1號于1979年3月5日拍攝的木衛一的部分區域（右）。當時，旅行者1號距離木衛一的距離分別為49萬千米與12.85萬千米。左圖中顯示出洛基火山噴發的場景，火山噴發出的物質被拋到160多千米高處。圖片來源：NASA/JPL
盡管旅行者1號飛掠木衛二的距離超過先驅者10號與先驅者11號的距離（32.1/58.67萬千米），但它依然憑借其高品質成像系統獲得了更高清晰度的圖像。它拍攝的圖像表明木衛二表面有縱橫交錯的裂紋。當時的天文學家推斷這些裂紋來自表層斷裂或構造過程。
旅行者1號于1979年3月2日在286.9252萬千米遠處拍攝的木衛二。表面的深色線是木衛二表面的裂紋。丨圖片來源：NASA/JPL
1979年3月6日，旅行者1號先后飛掠木衛三（距離11.471萬千米）與木衛四（距離12.64萬千米）。由于飛掠距離遠小于先驅者10號與先驅者11號，它獲得了木衛三與木衛四更高品質的圖像。
旅行者1號于1979年3月5日拍攝的木衛三的局部（左）與旅行者1號于1979年3月6日拍攝的木衛四的局部（右）。拍照時，旅行者1號距離木衛三與木衛四的距離分別為24.6萬千米與20萬千米。丨圖片來源：NASA/JPL
盡管旅行者1號觀測木星的時間長達約3個月，但能夠探測木星磁場與輻射的時間卻只有到達其近拱點前后的48小時。對于木星環與衛星的細致觀測的持續時間也僅有幾天。在此期間，旅行者1號發現了木星的8顆衛星。
在幾個月成像觀測與幾天的近距離觀測過程中，旅行者1號得到了木星系統的大量數據，這些數據為行星科學家們進一步研究木星系統提供了重要的依據。
飛掠土星系統
1979年4月9日，旅行者1號完成軌道修正，飛向土星。為避免撞擊到土衛六，它在1979年10月10日又進行了一次軌道修正。1980年8月22日，旅行者1號開始觀測土星。
1980年11月12日，旅行者1號進入土星系統，并于同日飛掠土衛六，飛掠時與土衛六表面的最近距離僅3915千米，為先驅者11號飛掠土衛六時的距離（36.2962萬千米）的1/90。
1980年11月12日，旅行者1號在43.5萬千米距離處拍攝的土衛六。土衛六頂端是厚厚的霧。圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號光譜儀獲得的數據表明，土衛六的大氣含有甲烷、乙烷、其他多種有機化合物與大量的氮。然而，土衛六的大氣中濃厚的有機物霧霾，使得旅行者1號得到的圖像看上去還是沒有特征。
根據旅行者1號無線電掩星數據，天文學家推斷出土衛六的直徑為5152千米，表面溫度約為94 K，大氣壓力為1.47巴（1巴=10萬帕斯卡，地球標準大氣壓為1.01325巴）。它的數據還表明土衛六擁有稠密的大氣，其表面可能擁有液態物質。
1980年11月12日，旅行者1號飛掠土衛三（距離41.567萬千米）。同日23:46:30，旅行者1號到達土星近拱點（距離中心天體引力中心最近的點），此時它距離土星云頂12.6萬千米。
旅行者1號于1980年11月13日拍攝的土星環，當時它距離土星的距離為150萬千米。圖片來源：NASA/JPL
1980年11月13日，旅行者1號在同一天內先后飛掠土衛一（距離8.844萬千米）、土衛二（距離20.204萬千米）、土衛五（距離7.398萬千米）與土衛七（距離88.044萬千米）。
1980年11月12日，旅行者2號拍攝的土衛一（左，42.5萬千米距離處）與土衛三（右，120萬千米距離處）。在這些圖中，土衛一右上方的赫歇爾隕石坑（Crater Herschel）、土衛三上面的伊薩卡大峽谷（Ithaca Chasma）都清晰可見。圖片來源：NASA/JPL
1980年11月12日，旅行者2號拍攝的土衛四（左，24萬千米距離處）與土衛五（右，7.3萬千米距離處）。它們表面的眾多隕石坑都清晰可見。丨圖片來源：NASA/JPL
1980年11月14日，旅行者1號對土星系統的觀測任務結束。在飛掠土星系統期間，旅行者1號觀測了土星上層大氣的化學構成、土星環的復雜結構、土星的極光、土衛六與其他幾顆此前已被確認的衛星，還發現了土星的5顆新衛星與土星的G環。
旅行者1號于1980年11月16日拍攝的土星環，當時它距離土星的距離為530萬千米。陽光照射土星形成的影子投在土星環上面。丨圖片來源：NASA/JPL
旅行者1號近距離飛掠土衛六時，土衛六的引力使它此后從土星南極掠過，并飛離黃道面（地球公轉的軌道面為黃道面，太陽系內的其他行星圍繞太陽公轉的軌道面與黃道面基本共面），再飛離太陽系。
太陽系的全家福與“暗淡藍點”
1990年2月14日，在空曠的太陽系漂移了12年多的旅行者1號距離地球約60億千米。此時它在黃道面上方32度，適合拍攝太陽系內的幾大行星。旅行者號團隊下達指令，讓它對準太陽方向，拍攝了60張圖，拼成了太陽系的全家福。為了避免被陽光過度曝光，每張照片的曝光時間僅為0.005秒。
這張全家福顯示了太陽系內木星、地球、金星、土星、天王星與海王星。水星因為太靠近太陽而無法被識別出來。火星當時的位置使其在旅行者1號的視角上只是一輪新月狀天體，因此也無法被識別出來。
1990年2月14日，旅行者1號拍攝的太陽系全家福。從左到右依次是：木星（JUPITER）、地球（EARTH）、金星（VENUS）、土星（SATURN）、天王星（URANUS）與海王星（NEPTUNE）。丨圖片來源：NASA/JPL
這套全家福中，最著名的是地球的圖像。在地球的照片中，地球只是一個0.12像素的微小亮點，它幾乎被相機反射陽光后形成的彩色光帶淹沒。
1990年2月14日，旅行者1號拍攝的地球圖像，圖中最右邊的明亮淺紅色光帶中的那個顯得蒼白的點就是我們的地球。圖片來源：NASA/JPL
這張照片引起了著名天文學家、天體生物學家、科普作家與科幻小說作家卡爾·薩根（Carl Sagan，1934-1996）的深思。他將圖中的地球稱為“暗淡藍點”（Pale Blue Dot），并在1994年出版了《暗淡藍點：展望人類的太空家園》（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space）一書。
在這本書中，薩根動情地說：“再想想那個點。那是這里，那是家園，那是我們。在這個點上，每一個你愛的人，每一個你認識的人，每一個你曾經聽說過的人，每一個人，無論是誰，都在此度過一生。”“有人說，天文學令人謙卑、塑造性格。可能沒有什么能比我們微小世界的這張遙遠的照片更能顯示人類的自負是多么愚蠢。對我而言，這張照片強調了我們的責任：更友好地對待彼此，保護和珍愛這顆暗淡藍點——我們目前所知的唯一家園。”[注1]
旅行者1號拍攝的這張圖與薩根寫的這本書的聯姻，使地球獲得了“暗淡藍點”這個別名。這個名稱迅速流傳并破圈，成為人類思考地球與宇宙的最重要的切入點之一。
飛出太陽系的邊疆
在結束對外行星系統的探測任務之后，天文學家于1989年為旅行者號啟動“旅行者號星際任務”（VIM）。當時，旅行者1號距離地球40天文單位（1天文單位1.496億千米）。
VIM主要探測太陽風有關的現象。VIM被分為三個階段，分別是：探測終端激波（Termination Shock）、探測日球層鞘（HelIOSheath）、探測星際空間。
日球層（heliosphere）是太陽發出的太陽風在太陽周圍形成的一個巨大的泡（下圖中淺灰色區域），它與星際空間的邊界是日球層頂（Heliopause），太陽風粒子止步于此。太陽風吹到接近日球層頂的區域，就會與星際介質接觸，受到星際介質的阻礙作用，形成終端激波，這個區域被稱為“終端激波區”。
在太陽運動方向一端，終端激波區與日球層頂之間的區域的形狀像刀鞘或劍鞘，因此被稱為“日球層鞘”。
日球層、終端激波、日球層鞘、日球層頂、弓形激波的示意圖。丨圖片來源：NASA/Goddard/Walt Feimer；翻譯：王善欽
因此，朝著遠離太陽的方向，由內向外依次是終端激波區、日球層鞘與日球層頂。日球層頂沖擊星際介質，形成弓形激波（Bow shock）。按照一些天文學家的定義，日球層頂之外就是星際空間。
1998年2月17日，旅行者1號超越先驅者10號，此時它距離地球約69.419天文單位（約104.1億千米）。此后至今，它一直是距離太陽最遠的航天器。
2004年12月17日，旅行者1號通過終端激波區，進入日球層鞘。2012年6月，天文學家發現旅行者1號接收到的來自星際空間的高能粒子數目急劇增加，因此判斷它即將穿過日球層頂。
2012年8月25日，旅行者1號于穿過日球層頂，此時它距地球121天文單位（約181.5億千米）。按照一些天文學家的定義，旅行者1號在這一天成為有史以來第一個進入星際空間的宇宙飛船。[注2]
為慶祝旅行者1號到達星際空間，天文學家于2013年2月21日用甚長基線陣（VLBA）拍攝了旅行者1號的射電圖像。
2013年2月21日，甚長基線陣（VLBA）拍攝到的旅行者1號的射電照片。圖片來源：NRAO/AUI/NSF
截至2023年2月18日，旅行者1號與太陽的距離為159.1天文單位（約238.01億千米）[注3]。現在，它相對太陽的速度達到17千米每秒（每年3.57天文單位），遠超過所在地的第三宇宙速度（擺脫太陽引力從而脫離太陽系的速度），因此會一直遠離太陽，并將在此后繼續向銀河系中心前進。它還可以飛出銀河系，在銀河系外的宇宙中漫游。
發給外星人的金唱片
為了能夠讓可能存在的外星人有機會了解地球，天文學家在旅行者1號與2號上面都放置了一個鍍金銅盤，其直徑為12英寸（30厘米），上面記錄了地球的位置與人類的信息。這兩個鍍金銅盤就是著名的“金唱片”。
旅行者1號上面的金唱片丨圖片來源：NASA/JPL
金唱片上面包括55種語言的問候語（包括中國的普通話、粵語、閩南語、吳語）、35種地球生命的聲音、90分鐘的“地球之聲”（包括鯨魚的聲音、嬰兒的哭聲、海浪拍打海岸的聲音以及地球27首世界名曲，其中有中國古琴曲《流水》、莫扎特的《魔笛》等）；115張照片（包括人類的數學、物理、太陽系及其內部的行星、地球上動物、植物、DNA、人類解剖和繁殖、地球上部分區域的地形與風景、食物、建筑、人類日常生活等）以及當時的一些政治家的問候錄音。
金唱片上面的信息的含義丨圖片來源：NASA/JPL
唱片封面的左下角表示太陽系與15條線與右下角的啞鈴狀圖形與先驅者10號與11號的銘牌相同，其意義已在介紹先驅者10號的文章（《探索太陽系邊疆的先驅：先驅者10號丨行星壯游》）中介紹，此處不再重復介紹。
唱片封面的左上角是留聲機唱片的圖紙和唱針。圍繞它的二進制符號表示唱片旋轉一圈的時間，據此可算出唱片旋轉一圈的時間為3.6秒。大圓圈下方是唱片和唱針的側視圖，里面說明播完唱片需要約1小時。
唱片封面的右上角顯示了圖像信號的波形、掃描時間（8毫秒）的二進制符號與構成圖像的直線的繪制方法。最下方表示，如果解碼正確，這張圖就是一個圓。
輝煌成就與巨大犧牲
雖然旅行者1號并不是第一個近距離探測木星系統與土星系統的探測器，但卻得到比先驅者10號與11號更好的這兩個系統成員的圖像。此外，它發現了木衛一的火山爆發、發現了木星的環、發現了木星的8顆新衛星、近距離飛掠了土衛六、發現土星的G環、發現了土星的5顆新衛星，等等。它對木星系統與土星系統的觀測進一步深化了人類對這兩個氣態巨行星、它們的衛星與環的物理、化學甚至生物學性質的認識。
旅行者1號拍攝的木星（右上）、木衛一（左上）、木衛二（中間）、木衛三（左下）與木衛四（右下）的“全家福”。這些圖并不是同一張照片拍攝，而是由多個照片組合而成。圖中它們的大小并不按比例。丨圖片來源：NASA
旅行者1號在長途漫游過程中拍下的地球照片（“暗淡藍點”）的意義超越了天文學范疇：在薩根富有感染力的表述廣為傳播之后，這張“暗淡藍點”的圖像成為人類對宇宙、地球與人類自身進行哲學思考的重要出發點之一，使人們對地球的渺小、孤單、脆弱與珍貴有了直接認識，也使人類對宇宙的浩瀚無疆有了直觀體會。
此外，旅行者1號還是第一個離開太陽系的人造天體。它也是至今為止距離地球最遠的人造天體。由于它的巨大速度，當前已經升空的其他所有人造天體都無法打破它在距離方面的記錄。
盡管旅行者1號獲得了眾多杰出的成就，但它也付出了自己的代價。由于它近距離探測土衛六，它的軌道在土衛六的引力作用下發生明顯改變，從而無法在飛掠土星后前往天王星與海王星。這是一開始就被制定好的計劃。
當時旅行者號團隊甚至還定下計劃：如果旅行者1號探測土衛六失敗，就讓旅行者2號重復旅行者1號的任務。我們要慶幸旅行者1號成功完成了土衛六的探測計劃，使旅行者2號可以在此后實現探測天王星與海王星的任務，從而基本實現了此前雄心勃勃的“行星壯游”計劃。或者說，旅行者2號的能夠完成“行星壯游”的壯舉，要感旅行者1號的犧牲與成全。
注釋
[注1]原文：“Consider again that dot. That's here, that's home, that's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. ”“It has been said that astronomy is a humbling and character-building experience. There is perhaps no better demonstration of the folly of human conceits than this distant image of our tiny world. To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another, and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we've ever known.”對其他段落感興趣的讀者可以進入以下鏈接：
https://www.goodreads.com/quotes/337712-from-this-distant-vantage-point-the-earth-might-not-seem。
[注2]天文學家對星際空間的邊界存在爭議。有些天文學家認為日球層頂不是太陽系與星際空間的分界線。這是因為，天文學家認為在更遠的地方還有大量小天體圍繞太陽公轉，它們構成的一片區域被稱為“奧爾特云”（Oort cloud）。如果以奧爾特云的外邊緣作為太陽系的邊疆，那旅行者1號還需要飛行近3萬年才能離開太陽系的邊界、進入星際空間。
[注3]旅行者1號（與旅行者2號）的距離與其他信息的實時更新見：
https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/
出品：科普中國
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