飛向木星北極與土星：先驅(qū)者11號 丨行星壯游

先驅(qū)者11號是第一個近距離探測土星的探測器，也是第一個成功觀測木星南北極的探測器。它上承先驅(qū)者10號，下啟旅行者2號。它的成功使人類探索“外行星”（木星、土星、天王星與海王星）的腳步又大大地向前邁了一步，也為此后執(zhí)行任務(wù)的一些外行星探測器積累了寶貴的經(jīng)驗。特別是，它為旅行者2號檢查了預(yù)定路線的安全性，為后者成功探測天王星與海王星鋪平了道路，從而為人類實現(xiàn)“行星壯游”的壯舉起到不可替代的重要作用。

(資料圖)

撰文 | 王善欽

先驅(qū)者10號（Pioneer 10）的成功不僅實現(xiàn)了人類近距離探測木星的夢想，大大增強了人類對外行星探測的信心，也使它的姐妹探測器——先驅(qū)者11號（Pioneer 11）——從備件模式切換到獨立探測器模式。

NASA的艾姆斯（Ames）研究中心（ARC）的先驅(qū)者號團隊正式啟動先驅(qū)者11號探測土星的計劃。這個計劃的具體步驟是：先驅(qū)者11號先探訪木星，然后借助木星的引力彈弓效應(yīng)實現(xiàn)加速、變軌，再直奔土星，實現(xiàn)土星探測的破冰之旅。

大同小異：先驅(qū)者11號的結(jié)構(gòu)

先驅(qū)者11號與先驅(qū)者10號的結(jié)構(gòu)完全一樣，都有提供電能的核電池、維持通信與用以傳輸數(shù)據(jù)的天線系統(tǒng)、用于探測的重要儀器與用于定位導(dǎo)航的系統(tǒng)。

先驅(qū)者11號攜帶的儀器與先驅(qū)者10號基本相同（如下圖）**[1]**但是，先驅(qū)者11號比先驅(qū)者10號多一個儀器：磁通門磁強計（Fluxgate Magnetometer）。增加的這個儀器使它比先驅(qū)者10號重0.5千克，因此它的總質(zhì)量為258.5千克。

先驅(qū)者11號（也是先驅(qū)者10號）的結(jié)構(gòu)圖。主天線（高增益天線）中間未被標(biāo)注的是中增益天線。圖片來源：NASA，Vectors by Mysid；圖片文字翻譯：王善欽

此外，由于發(fā)射時間晚了一年多，先驅(qū)者11號上面的儀器——特別是探測磁場與輻射的相關(guān)儀器——得到一定程度的改進。先驅(qū)者11號的推進系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、核電池系統(tǒng)也與先驅(qū)者10號的完全相同。

1973年4月6日02:11:00（國際標(biāo)準(zhǔn)時，下同），先驅(qū)者11號搭載擎天神-半人馬（Atlas-Centaur）火箭升空。將它送上天的火箭搭配固體發(fā)動機，以讓探測器獲得更高的速度。此時，大約13個月前升空的先驅(qū)者10號已經(jīng)離開小行星帶，正在前往木星的路上，但尚未開始探測木星。

先驅(qū)者11號搭載火箭升空。圖片來源：NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC)

1974年3月中旬，先驅(qū)者11號安全穿過了小行星帶。1973年4月11日，先驅(qū)者11號進行了一次軌道修正。

一次關(guān)鍵的變軌

1974年1月1日，先驅(qū)者10號成功結(jié)束了木星探測任務(wù)。先驅(qū)者11號不再作為先驅(qū)者10號的備件，轉(zhuǎn)而執(zhí)行探測土星的方案。但它依然要先飛掠木星，從而借助木星引力彈弓效應(yīng)變軌并加速。

在確認先驅(qū)者10號大獲成功之后，旅行者號團隊希望先驅(qū)者11號能以更近的距離靠近木星，為將來旅行者號飛掠木星探路。

更近的路線意味著更大的風(fēng)險，因此先驅(qū)者號團隊中的部分成員反對這個建議。但在權(quán)衡利弊后，先驅(qū)者號團隊最終還是同意了這個建議，畢竟更近距離不僅意味著風(fēng)險，也意味著巨大的收益：可以獲得木星的高清圖像。

1974年4月26日，先驅(qū)者號團隊發(fā)出指令，修正先驅(qū)者11號的軌道，從而實現(xiàn)三個目標(biāo)。

首先，先驅(qū)者11號將比先驅(qū)者10號更接近木星，可以進行更高清晰度的觀測。

其次，先驅(qū)者11號的軌道面與木星赤道面將有52度的夾角。這帶來了兩個好處：（1）它在進入木星系統(tǒng)時可以觀測木星的南北極區(qū)域。（2）它可以盡量減少先驅(qū)者11號受到的木星輻射劑量——此前先驅(qū)者10號的探測表明木星的磁場是圍繞木星赤道面的環(huán)向磁場，沿著這樣的軌道飛行，可以盡量縮短木星磁場與輻射影響儀器的持續(xù)時間。

第三，修正后的軌道將以逆行的方式飛掠木星，即它前進路線的方向與木星自轉(zhuǎn)的方向相反。這使它可以在短時間內(nèi)看到木星更多表面并更好地測量木星磁場。

探測木星系統(tǒng)

1974年11月7日，先驅(qū)者11號進行了一次變軌，開始進入木星系統(tǒng)。11月25日03:39，先驅(qū)者11號穿過木星的弓形激波。接下來，先驅(qū)者11號開始飛掠木星及其衛(wèi)星。

先驅(qū)者11號和先驅(qū)者10號飛掠木星系統(tǒng)（木星及其衛(wèi)星）的路線圖（木星系統(tǒng)軌道平面俯視圖）?？梢钥闯?，先驅(qū)者11號與先驅(qū)者10號繞木星路線的方向是相反的。圖片來源：https://www.nasa.gov/feature/45-years-ago-pioneer-11-explores-jupiter，圖片文字翻譯：王善欽

1974年12月2日，先驅(qū)者11號先后飛掠木衛(wèi)四（距離78.65萬千米）與木衛(wèi)三（距離69.23萬千米）；12月3日，先驅(qū)者11號先后飛掠木衛(wèi)一（距離31.4萬千米）與木衛(wèi)二（距離58.67萬千米）。[2]相比先驅(qū)者10號，先驅(qū)者11號飛掠木星的四顆衛(wèi)星時的距離有近有遠。、

1974年12月2日，先驅(qū)者11號在75.6萬千米遠處拍攝到半月形的木衛(wèi)一。圖片來源：NASA/Ames

1973年與1974年，先驅(qū)者10號與先驅(qū)者11號拍攝的木星四顆“伽利略衛(wèi)星”的圖像，從左到右分別為木衛(wèi)一（Io）、木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）與木衛(wèi)四（Callisto）。其中木衛(wèi)一的圖像由先驅(qū)者11號獲得。圖片來源：

https://history.nasa.gov/SP-349/p180.htm

1974年12月3日5:02，先驅(qū)者11號從木星后面（相對地球的視線）經(jīng)過，19分鐘后，先驅(qū)者11號到達木星近點，此時它距離木星云頂4.2828萬千米。作為對比，先驅(qū)者10號木星近點與木星云頂?shù)木嚯x是13.2萬千米。因此，先驅(qū)者11號遠比先驅(qū)者10號更靠近木星，僅為后者距離的1/3，這使得它可以得到遠比后者更清晰的木星圖像。

先驅(qū)者11號拍攝到木星大紅斑的清晰圖像，當(dāng)時先驅(qū)者11號在木星南緯31度上空、距離木星54.5萬千米。圖片來源：NASA

在達到木星近點前，先驅(qū)者11號的速度達到了47.5千米每秒，成為截至當(dāng)時為止最快的人造天體。

與先驅(qū)者10號一樣，先驅(qū)者11號上面沒有數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，它只能在獲得數(shù)據(jù)的同時立即發(fā)送數(shù)據(jù)，所以，在它進入木星后面時，它拍攝的任何數(shù)據(jù)都無法被傳送到地球。

1974年12月3日5:44，先驅(qū)者11號從木星后面出來，開始重新發(fā)送獲得的數(shù)據(jù)。緊接著，它高速飛向木星北極區(qū)域上空。12月3日09:27，先驅(qū)者11號拍攝到木星的北極區(qū)域，當(dāng)時它距離木星43.5萬千米。這是人類第一次看到木星的極區(qū)。

在先驅(qū)者11號拍攝的木星北極區(qū)域的圖像中，清晰度達到152千米每像素。[3]此前，天文學(xué)家猜測木星兩極區(qū)域的大氣比赤道區(qū)域的大氣更透明一些，觀測其南北極區(qū)域可以更深入地觀測大氣內(nèi)部。

先驅(qū)者11號拍攝的包括木星北極區(qū)域在內(nèi)的圖像。圖片來源：NASA

由于速度比先驅(qū)者10號更高，且軌道面與木星赤道面存在較大夾角，它在飛掠木星的過程中受到木星環(huán)形輻射帶的傷害小于先驅(qū)者10號受到的傷害。

1974年12月3日，先驅(qū)者11號飛掠木衛(wèi)五（距離12.75萬千米），確定了它的質(zhì)量。此前先驅(qū)者10號沒有飛掠它。

1975年1月1日，先驅(qū)者11號停止對木星的探測。在探測木星系統(tǒng)期間，先驅(qū)者11號發(fā)回木星及其衛(wèi)星的幾百張照片，對木星進行了紅外測量，并獲取了磁場與帶電粒子的數(shù)據(jù)。

飛向土星：爭論、妥協(xié)與犧牲

由于木星的巨大引力的作用，先驅(qū)者11號的軌道發(fā)生大角度的偏折。此后，先驅(qū)者號團隊發(fā)出指令，讓它在1976年5月26日和1978年7月13日先后實現(xiàn)兩次變軌，進一步修正了它的軌道，使其飛向軌道另外一側(cè)的土星。

先驅(qū)者11號拍攝的運行軌跡。它于1973年4月在地球上被發(fā)射升空，1974年12月飛掠木星系統(tǒng)，在木星引力作用下，軌道發(fā)生明顯變化，此后探測器自身噴發(fā)出推進劑，實現(xiàn)變軌，飛向土星，并在1979年9月經(jīng)過飛掠土星系統(tǒng)，然后離開太陽系。圖片來源：NASA；圖片文字翻譯：王善欽

當(dāng)時，旅行者號項目已在此前被批準(zhǔn)，相關(guān)的團隊也已經(jīng)成立并確定了此后的計劃：旅行者1號將繼續(xù)探測木星系統(tǒng)與土星系統(tǒng)，以獲得更清晰的圖像；旅行者2號將執(zhí)行旅行者1號的任務(wù)（如果旅行者1號失?。?，或探測木星、土星、天王星與海王星（如果旅行者1號成功）。

旅行者2號飛向天王星的一個關(guān)鍵步驟是：通過土星的A環(huán)，借助土星的引力彈弓效應(yīng)完成變軌與加速。為確保安全，旅行者號團隊建議先驅(qū)者11號先經(jīng)過土星A環(huán)，以確定A環(huán)中的顆粒是否會損害探測器。經(jīng)過討論，先驅(qū)者號團隊同意了這個方案。

然而，兩個團隊在探測器經(jīng)過土星A環(huán)之后的路線選擇方面卻出現(xiàn)了分歧：先驅(qū)者號團隊想讓先驅(qū)者11號向土星內(nèi)環(huán)方向前進，直接探測土星內(nèi)環(huán)，并確定此前還處于爭議狀態(tài)的D環(huán)是否存在。旅行者團隊則要求先驅(qū)者11號朝土星外環(huán)方向前進，穿過土星的E環(huán)，再離開土星系統(tǒng)，以確定將來旅行者2號的探測器通過這條路線時是否會受到土星外環(huán)粒子的傷害。

先驅(qū)者號團隊認為，如果先驅(qū)者11號走旅行者號團隊給定的路線，它與土星的距離將會越來越遠，得不到天文學(xué)家感興趣的更高清的觀測，更無法直接探測土星內(nèi)環(huán)。旅行者號團隊也堅持自己的建議：如果先驅(qū)者11號不走這條路線，旅行者2號也不冒險走這條路線，天王星和海王星的觀測也無從談起。

兩邊反復(fù)爭論，都無法說服對方。事情鬧到了兩個團隊共同的上級部門——NASA總部。NASA總部同意了旅行者號團隊的建議，因為這樣的路線雖然犧牲了對土星內(nèi)環(huán)的觀測以及對土星自身的更近距離觀測，但為了能夠讓旅行者2號探測天王星與海王星，這個犧牲是值得的。

在NASA行星科學(xué)部門的負責(zé)人宣布這個決定時，現(xiàn)場的先驅(qū)者號團隊的成員發(fā)出一片噓聲，表示抗議。盡管如此，先驅(qū)者號團隊必須執(zhí)行NASA總部的決定。

飛掠土星系統(tǒng)

1979年7月31日，先驅(qū)者11號開始觀測土星。此時，旅行者1號與旅行者2號也已先后結(jié)束對木星的探測，正朝著土星飛來。

1979年8月26日，先驅(qū)者11號拍攝的土星、土星環(huán)與土衛(wèi)五（土星右下的白點）。圖片來源：NASA

1979年8月29日，先驅(qū)者11號進入土星系統(tǒng)，先后飛掠土衛(wèi)八（距離103.2535萬千米）與土衛(wèi)九（距離1371.3574萬千米）。[2]

1979年8月31日，先驅(qū)者11號飛掠土衛(wèi)七（距離66.6153萬千米）。[2]同日，它在距離土星150萬千米處探測到了土星的弓形激波，從而首次用觀測證明土星存在磁場。[1]

1979年9月1日，先驅(qū)者11號先后飛掠土衛(wèi)十一（距離6676千米）、土衛(wèi)十五（距離4.596萬千米）、土衛(wèi)四（距離29.1556萬千米）與土衛(wèi)一（距離10.4263萬千米），[2]并穿過土星外環(huán)之外的平面，接近A環(huán)。當(dāng)天16:29:34，先驅(qū)者11號到達土星近點，此時它距離土星云頂2.0591萬千米，速度達到31.7千米每秒。

在接近與離開土星的過程中，先驅(qū)者11號拍攝了440張土星系統(tǒng)的照片，其中約20張的分辨率達到90千米每像素。[1]在此期間，它還發(fā)現(xiàn)了土星的F環(huán)與兩顆新衛(wèi)星。

飛掠土星后，先驅(qū)者11號又在同一天先后飛掠土衛(wèi)十（距離22.8988萬千米）、土衛(wèi)三（距離32.9197萬千米）、土衛(wèi)二（距離22.2027萬千米）、土衛(wèi)十四（距離10.9916萬千米）與土衛(wèi)五（距離34.5303萬千米）。[2]

1979年9月1日，先驅(qū)者11號拍攝的土星與土星環(huán)的一部分。圖片來源：NASA

1979年9月2日，先驅(qū)者11號飛掠土衛(wèi)六（距離36.2962萬千米）。它拍攝的土衛(wèi)六照片的分辨率最高達到179千米每像素。這些圖像表明土衛(wèi)六是一個沒有表面大氣特征的橙黃色衛(wèi)星。根據(jù)不同波段的圖像，天文學(xué)家測出土衛(wèi)六的直徑為5690或5760千米。數(shù)據(jù)還表明，土衛(wèi)六云層頂端的溫度約為75K（零下198攝氏度）。[4]

1979年9月2日，先驅(qū)者11號在36萬千米距離拍攝的土衛(wèi)六。圖片來源：NASA

在飛掠土星期間，先驅(qū)者11號的紅外輻射計測量土星上層大氣的紅外輻射，結(jié)合無線電掩星方法，確定了土星上層大氣的溫度、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。它的數(shù)據(jù)表明：土星的平均溫度約為零下180攝氏度，土星的主要成分是液態(tài)氫，因此不適合生命生存。[1]

然后，先驅(qū)者11號向土星E環(huán)方向飛馳，離開土星。

1979年10月5日，先驅(qū)者11號結(jié)束對土星系統(tǒng)的觀測。

飛離太陽

在土星引力的影響下，先驅(qū)者11號的軌道發(fā)生偏折。此后它朝著銀河系中心方向飛離太陽系，開始執(zhí)行星際任務(wù)。需要注意到是，它飛離太陽的方向與先驅(qū)者10號飛離的方向幾乎相反。

1995年，先驅(qū)者11號無法再為它的儀器供電，NASA決定關(guān)閉它。1995年11月24日，人類與先驅(qū)者11號徹底失去聯(lián)系。

現(xiàn)在，先驅(qū)者11號距離太陽約111天文單位（約166億千米）?，F(xiàn)在它相對太陽的速度為11.182千米每秒，以每年2.36天文單位的速度朝著現(xiàn)在盾牌座的方向運動。[2]它的速度也已超過第三宇宙速度，因此可以在將來脫離太陽系。

先驅(qū)者11號也攜帶了一塊金屬牌，上面的符號與圖案與先驅(qū)者10號上面的那塊完全一樣。（詳情參見《探索太陽系邊疆的先驅(qū)：先驅(qū)者10號丨行星壯游》）由于先驅(qū)者10號只飛掠了木星，而先驅(qū)者11號還飛掠了土星，二者軌道不相同。因此，先驅(qū)者11號的牌子上的路線圖是不精確的。不過這是個小問題。

2019年，有人[5]用Gaia衛(wèi)星獲得的恒星位置與運動速度、方向的數(shù)據(jù)推斷出：約92.83萬年后，先驅(qū)者11號將飛掠矮星TYC 992-192-1，與它最近時的距離為0.8光年。這是它未來257萬年內(nèi)能夠遇到的最近的恒星。

插曲：從備件到復(fù)制件的先驅(qū)者H

1971年，先驅(qū)者10號與11號尚未被發(fā)射，它們的編號還是先驅(qū)者F與先驅(qū)者G。這一年，先驅(qū)者號團隊計劃將來發(fā)射先驅(qū)者H，作為先驅(qū)者G（先驅(qū)者11號）的備件。

按照計劃，先驅(qū)者H將在1974年被發(fā)射升空，1975年7月飛掠木星，其軌道面與木星赤道面垂直，因此可以完全觀測木星的南北極。如果它成功升空，它將被改名為先驅(qū)者12號。

遺憾的是，在先驅(qū)者H被發(fā)射前，NASA總部否決了這個方案。后來，被拆下核電池的先驅(qū)者H被作為先驅(qū)者10號與11號的復(fù)制品放在博物館。

在博物館被吊著的先驅(qū)者H，它被作為先驅(qū)者10號與先驅(qū)者11號的復(fù)制件。圖片來源：CamWow

“先驅(qū)者12號”的名稱被1978年5月20日升空的探測金星的“先驅(qū)者金星軌道器”（Pioneer Venus Orbiter）所使用，它也被稱為“先驅(qū)者金星1號”（Pioneer Venus 1）。

先驅(qū)者11號飛掠木星時，與木星赤道面的夾角為52度，觀測到木星的南北極的部分區(qū)域，因此也算部分實現(xiàn)了先驅(qū)者H的目標(biāo)。真正實現(xiàn)先驅(qū)者H的軌道模式的是后來被發(fā)射升空的太陽探測器尤利西斯（Ulysses）與木星探測器朱諾（Juno）。尤利西斯與太陽赤道面的夾角達到80.2度，幾乎垂直。朱諾則與木星赤道面完全垂直（夾角為90度），屬于典型的極軌探測器。

先驅(qū)者11號的歷史貢獻

先驅(qū)者11號是第一顆近距離探測土星系統(tǒng)的探測器，它實現(xiàn)了人類近距離探測土星系統(tǒng)的夢想。

在進入土星系統(tǒng)后，先驅(qū)者11號上面的各種儀器獲得了土星、土星環(huán)與土星衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。它獲得的近紅外數(shù)據(jù)使天文學(xué)家可以確定土星上層大氣的溫度、結(jié)構(gòu)與土衛(wèi)六的溫度；它在可見光波段獲得的圖像的品質(zhì)超過了地球上當(dāng)時所有望遠鏡獲得的圖像，成為天文學(xué)家研究土星系統(tǒng)細節(jié)的第一批珍貴圖像；它獲得的土星磁場的數(shù)據(jù)，使天文學(xué)家可以繪制土星的磁層和磁場分布、強度、方向與結(jié)構(gòu)，并確定太陽風(fēng)粒子與土星系統(tǒng)磁場相互作用的細節(jié)；它的近距離觀測提供了土星環(huán)的大量細節(jié)，并幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的F環(huán)；它通過飛掠，精確測定了土星與土星的一些衛(wèi)星的質(zhì)量。

此外，先驅(qū)者11號雖然不是第一個近距離探測木星系統(tǒng)的探測器，但它卻在更近的距離處獲得了木星更清晰的圖像，并首次獲得木星兩極的圖像。它對木星的探測進一步深化了人類對木星性質(zhì)的認識。

為了紀(jì)念無人探索飛船在探索太陽系內(nèi)行星與月球方面的重大貢獻，美國郵政局于1991年10月1日發(fā)行了一套共10枚郵票，描述了太陽系當(dāng)時的“九大行星”與月球被探索的情況（當(dāng)時冥王星依然被視為行星）。在這套郵票中，木星的那一張搭配先驅(qū)者11號，而不是最早探測木星的先驅(qū)者10號，而土星、天王星與海王星都搭配旅行者2號。

筆者的個人觀點是：雖然先驅(qū)者11號與旅行者2號分別對木星與土星做出更清晰的觀測，但第一次成功接近并傳回數(shù)據(jù)的分別是先驅(qū)者10號和11號。因此，更合理的搭配也許應(yīng)該是：木星-先驅(qū)者10號，土星-先驅(qū)者11號，天王星與海王星-旅行者2號。

1991年10月1日發(fā)行的木星與先驅(qū)者11號郵票。圖片來源：United States Postal Service

先驅(qū)者11號的成功也為此后執(zhí)行任務(wù)的旅行者1號、旅行者2號與卡西尼-惠更斯號探測器探測土星積累了第一批寶貴經(jīng)驗，并為旅行者2號探測天王星與海王星掃清了道路。特別是，它驗證了土星環(huán)內(nèi)部的顆粒環(huán)境，確保旅行者2號將來可以安全通過預(yù)定路線。

當(dāng)年先驅(qū)者號團隊的成員一度因先驅(qū)者11號為旅行者2號而犧牲自己最后的探測目標(biāo)而憤憤不平，但隨著后來旅行者2號成功探測了天王星與海王星，他們也釋然了。因為他們知道，先驅(qū)者11號為旅行者2號作了開路先鋒，從而為人類探索這兩顆冰巨行星做出了自己的重要貢獻。

參考文獻

[1] In Depth: Pioneer 11, https://solarsystem.nasa.gov/missions/pioneer-11/in-depth/

[2] Wikipedia: Pioneer 11, https://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11#cite_note-Pioneer_11-1

[3]Andrew LePage, Our First Good Look at Jupiter’s North Pole – 1974, https://www.drewexmachina.com/2016/06/28/our-first-good-look-at-jupiters-north-pole-1974/

[4]Andrew LePage, Voyager 1: The First Close Encounter with Titan, https://www.drewexmachina.com/2015/11/12/voyager-1-the-first-close-encounter-with-titan/

[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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