宇宙那么大,人类的活动范围却非常小,迄今为止,人类去过最远的地方就是月球,而月球与地球的平均距离只有38万公里。当然了,人类还发射了各式各样的探测器,如果将它们也算上,那人类的活动范围就要大很多了。
在人类已发射的众多探测器中,距离地球最远的旅行者1号无疑是最引人注目的,在1977年发射升空之后,旅行者1号连续利用了木星和土星的“引力弹弓”,大幅地提升了自己的飞行速度,在此之后,它就一直朝着宇宙深处飞行,到了2021年,旅行者1号已经飞到228亿公里之外。
即使用光速前进,也需要20多个小时才能跑完228亿公里,对于人类而言,这段距离可以说是非常遥远的。令人称奇的是,远在228亿公里外的旅行者1号,却依然与地球保持着联系,所以问题就来了,它是怎么把信号传回地球的呢?
实际上,旅行者1号并没有用什么“黑科技”来进行通信,它采用的其实就是普通的无线电通信技术,简单来讲就是,它先将需要传送的信息调制成无线电信号,然后把这些信号直接传回地球(中途没有任何中继器)。
旅行者1号的能量来自于自身携带的3块钚放射性同位素温差发电机(即利用钚放射性同位素的衰变获取电能的“核电池”),其总功率为420瓦。
为了保证无线电信号传输的成功率,旅行者1号的发射频率选择了无线电干扰极小的8GHz频段,并配备了一个直径达3.7米的“高增益天线”,它可以将信号集中向某一个方向发射,从而大幅增加信号传输的距离,而这也是人类在当时制造出的口径最大的反射面天线。
除此之外,旅行者1号还配有当时精度最高的陀螺仪,这可以帮助旅行者1号修正天线的方向,使其发送信号的方向始终对准地球。
虽然旅行者1号采用了当时最先进的无线电通信设备,但随着距离的增加,无线电信号的强度也会指数级地下降,时至今日,当旅行者1号发出的信号到达地球时,其功率已经低至10^-22瓦(即一百万亿亿分之一瓦)。
“想要接收到非常微弱的信号,就必须要有直径足够大的天线,如果一个不够的话,我们还可以建造很多个组合起来使用”,基于这种思路,NASA于20世纪60年代就开始建造深空网络(Deep Space Network, 简称DSN)。
深空网络其实就是一大堆的天线,它们的灵敏度极高,“个头”也很大,其中最大的天线可达70米,科学家将这些天线组合起来,就形成了一个非常强大的无线电通信系统,即使旅行者1号已经飞到228亿公里之外,深空网络照样也可以接收到它传回地球的信号。
目前该系统分为三个站点,分别为“戈尔德斯通深空站”(Goldstone View)、“马德里深空站”(Madrid View)以及“堪培拉深空站”(Canberra View)。
如上图所示,这三个站点在地球表面呈120度分布(经度),这样就可以避免因为地球的自转而产生的“通信盲区”,从而实现与宇宙深空中的探测器进行全天24小时的不间断通信。
近几十年以来,科学家一直在使用新技术来提升深空网络的远距离通信能力,比如说用全息对齐技术来提高聚焦信号的准确度、用新材料来增大天线的直径、用更精密的面板来提高精度,又或者直接用更先进的天线来替换老旧的天线。
尽管如此,深空网络也不可能一直与旅行者1号保持联系,我们完全可以推测出,随着距离的增加,旅行者1号传回地球的信号将会越来越微弱,直到最终消失在宇宙的背景杂音之中。
另一方面来讲,在飞行了44年之后,旅行者1号的“核电池”已经支撑不了多久了,科学家估计,旅行者1号的能量将在2025年消耗殆尽,在此之后,它就会彻底与地球断开联系,从此在茫茫的宇宙空间中孤独地漂泊。
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。