飞向木星北极与土星先驱者11号丨行星壮游

　　先驱者11号是第一个近距离探测土星的探测器，也是第一个成功观测木星南北极的探测器。它上承先驱者10号，下启旅行者2号。它的成功使人类探索＂外行星＂（木星、土星、天王星与海王星）的脚步又大大地向前迈了一步，也为此后执行任务的一些外行星探测器积累了宝贵的经验。特别是，它为旅行者2号检查了预定路线的安全性，为后者成功探测天王星与海王星铺平了道路，从而为人类实现＂行星壮游＂的壮举起到不可替代的重要作用。
　　撰文 | 王善钦
　　先驱者10号 （Pioneer 10） 的成功不仅实现了人类近距离探测木星的梦想，大大增强了人类对外行星探测的信心，也使它的姐妹探测器——先驱者11号 （Pioneer 11） ——从备件模式切换到独立探测器模式。
　　NASA的艾姆斯 （Ames） 研究中心 （ARC） 的先驱者号团队正式启动先驱者11号探测土星的计划。这个计划的具体步骤是：先驱者11号先探访木星，然后借助木星的引力弹弓效应实现加速、变轨，再直奔土星，实现土星探测的破冰之旅。
　　大同小异：先驱者11号的结构
　　先驱者11号与先驱者10号的结构完全一样，都有提供电能的核电池、维持通信与用以传输数据的天线系统、用于探测的重要仪器与用于定位导航的系统。
　　先驱者11号携带的仪器与先驱者10号基本相同 （如下图） [1]  但是，先驱者11号比先驱者10号多一个仪器：磁通门磁强计（Fluxgate Magnetometer） 。增加的这个仪器使它比先驱者10号重0.5千克，因此它的总质量为258.5千克。
　　先驱者11号（也是先驱者10号）的结构图。主天线（高增益天线）中间未被标注的是中增益天线。图片来源：NASA，Vectors by Mysid；图片文字翻译：王善钦
　　此外，由于发射时间晚了一年多，先驱者11号上面的仪器——特别是探测磁场与辐射的相关仪器——得到一定程度的改进。先驱者11号的推进系统、通信系统、核电池系统也与先驱者10号的完全相同。
　　1973年4月6日02:11:00 （国际标准时，下同） ，先驱者11号搭载擎天神-半人马 （Atlas-Centaur） 火箭升空。将它送上天的火箭搭配固体发动机，以让探测器获得更高的速度。此时，大约13个月前升空的先驱者10号已经离开小行星带，正在前往木星的路上，但尚未开始探测木星。
　　先驱者11号搭载火箭升空。图片来源：NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC)
　　1974年3月中旬，先驱者11号安全穿过了小行星带。1973年4月11日，先驱者11号进行了一次轨道修正。
　　一次关键的变轨
　　1974年1月1日，先驱者10号成功结束了木星探测任务。先驱者11号不再作为先驱者10号的备件，转而执行探测土星的方案。但它依然要先飞掠木星，从而借助木星引力弹弓效应变轨并加速。
　　在确认先驱者10号大获成功之后，旅行者号团队希望先驱者11号能以更近的距离靠近木星，为将来旅行者号飞掠木星探路。
　　更近的路线意味着更大的风险，因此先驱者号团队中的部分成员反对这个建议。但在权衡利弊后，先驱者号团队最终还是同意了这个建议，毕竟更近距离不仅意味着风险，也意味着巨大的收益： 可以获得木星的高清图像 。
　　1974年4月26日，先驱者号团队发出指令，修正先驱者11号的轨道，从而实现三个目标。
　　首先，先驱者11号将比先驱者10号更接近木星，可以进行更高清晰度的观测。
　　其次，先驱者11号的轨道面与木星赤道面将有52度的夹角。这带来了两个好处：（1）它在进入木星系统时可以观测木星的南北极区域。（2）它可以尽量减少先驱者11号受到的木星辐射剂量——此前先驱者10号的探测表明木星的磁场是围绕木星赤道面的环向磁场，沿着这样的轨道飞行，可以尽量缩短木星磁场与辐射影响仪器的持续时间。
　　第三，修正后的轨道将以逆行的方式飞掠木星，即它前进路线的方向与木星自转的方向相反。这使它可以在短时间内看到木星更多表面并更好地测量木星磁场。
　　探测木星系统
　　1974年11月7日，先驱者11号进行了一次变轨，开始进入木星系统。11月25日03:39，先驱者11号穿过木星的弓形激波。接下来，先驱者11号开始飞掠木星及其卫星。
　　先驱者11号和先驱者10号飞掠木星系统（木星及其卫星）的路线图（木星系统轨道平面俯视图）。可以看出，先驱者11号与先驱者10号绕木星路线的方向是相反的。图片来源：https://www.nasa.gov/feature/45-years-ago-pioneer-11-explores-jupiter，图片文字翻译：王善钦
　　1974年12月2日，先驱者11号先后飞掠木卫四 （距离78.65万千米） 与木卫三 （距离69.23万千米） ；12月3日，先驱者11号先后飞掠木卫一 （距离31.4万千米） 与木卫二 （距离58.67万千米） 。 [2]  相比先驱者10号，先驱者11号飞掠木星的四颗卫星时的距离有近有远。
　　1974年12月2日，先驱者11号在75.6万千米远处拍摄到半月形的木卫一。图片来源：NASA/Ames
　　1973年与1974年，先驱者10号与先驱者11号拍摄的木星四颗＂伽利略卫星＂的图像，从左到右分别为木卫一（Io）、木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）与木卫四（Callisto）。其中木卫一的图像由先驱者11号获得。图片来源：https://history.nasa.gov/SP-349/p180.htm
　　1974年12月3日5:02，先驱者11号从木星后面 （相对地球的视线） 经过，19分钟后，先驱者11号到达木星近点，此时它距离木星云顶4.2828万千米。作为对比，先驱者10号木星近点与木星云顶的距离是13.2万千米。因此，先驱者11号远比先驱者10号更靠近木星，仅为后者距离的1/3，这使得它可以得到远比后者更清晰的木星图像。
　　先驱者11号拍摄到木星大红斑的清晰图像，当时先驱者11号在木星南纬31度上空、距离木星54.5万千米。图片来源：NASA
　　在达到木星近点前，先驱者11号的速度达到了47.5千米每秒，成为截至当时为止最快的人造天体。
　　与先驱者10号一样，先驱者11号上面没有数据存储设备，它只能在获得数据的同时立即发送数据，所以，在它进入木星后面时，它拍摄的任何数据都无法被传送到地球。
　　1974年12月3日5:44，先驱者11号从木星后面出来，开始重新发送获得的数据。紧接着，它高速飞向木星北极区域上空。12月3日09:27，先驱者11号拍摄到木星的北极区域，当时它距离木星43.5万千米。 这是人类第一次看到木星的极区。
　　在先驱者11号拍摄的木星北极区域的图像中，清晰度达到152千米每像素。 [3]  此前，天文学家猜测木星两极区域的大气比赤道区域的大气更透明一些，观测其南北极区域可以更深入地观测大气内部。
　　先驱者11号拍摄的包括木星北极区域在内的图像。图片来源：NASA
　　由于速度比先驱者10号更高，且轨道面与木星赤道面存在较大夹角，它在飞掠木星的过程中受到木星环形辐射带的伤害小于先驱者10号受到的伤害。
　　1974年12月3日，先驱者11号飞掠木卫五 （距离12.75万千米） ，确定了它的质量。此前先驱者10号没有飞掠它。
　　1975年1月1日，先驱者11号停止对木星的探测。在探测木星系统期间，先驱者11号发回木星及其卫星的几百张照片，对木星进行了红外测量，并获取了磁场与带电粒子的数据。
　　飞向土星：争论、妥协与牺牲
　　由于木星的巨大引力的作用，先驱者11号的轨道发生大角度的偏折。此后，先驱者号团队发出指令，让它在1976年5月26日和1978年7月13日先后实现两次变轨，进一步修正了它的轨道，使其飞向轨道另外一侧的土星。
　　先驱者11号拍摄的运行轨迹。它于1973年4月在地球上被发射升空，1974年12月飞掠木星系统，在木星引力作用下，轨道发生明显变化，此后探测器自身喷发出推进剂，实现变轨，飞向土星，并在1979年9月经过飞掠土星系统，然后离开太阳系。图片来源：NASA；图片文字翻译：王善钦
　　当时，旅行者号项目已在此前被批准，相关的团队也已经成立并确定了此后的计划：旅行者1号将继续探测木星系统与土星系统，以获得更清晰的图像；旅行者2号将执行旅行者1号的任务 （如果旅行者1号失败） ，或探测木星、土星、天王星与海王星 （如果旅行者1号成功） 。
　　旅行者2号飞向天王星的一个关键步骤是：通过土星的A环，借助土星的引力弹弓效应完成变轨与加速。为确保安全，旅行者号团队建议先驱者11号先经过土星A环，以确定A环中的颗粒是否会损害探测器。经过讨论，先驱者号团队同意了这个方案。
　　然而，两个团队在探测器经过土星A环之后的路线选择方面却出现了分歧：先驱者号团队想让先驱者11号向土星内环方向前进，直接探测土星内环，并确定此前还处于争议状态的D环是否存在。旅行者团队则要求先驱者11号朝土星外环方向前进，穿过土星的E环，再离开土星系统，以确定将来旅行者2号的探测器通过这条路线时是否会受到土星外环粒子的伤害。
　　先驱者号团队认为，如果先驱者11号走旅行者号团队给定的路线，它与土星的距离将会越来越远，得不到天文学家感兴趣的更高清的观测，更无法直接探测土星内环。旅行者号团队也坚持自己的建议：如果先驱者11号不走这条路线，旅行者2号也不冒险走这条路线，天王星和海王星的观测也无从谈起。
　　两边反复争论，都无法说服对方。事情闹到了两个团队共同的上级部门——NASA总部。NASA总部同意了旅行者号团队的建议，因为这样的路线虽然牺牲了对土星内环的观测以及对土星自身的更近距离观测，但为了能够让旅行者2号探测天王星与海王星，这个牺牲是值得的。
　　在NASA行星科学部门的负责人宣布这个决定时，现场的先驱者号团队的成员发出一片嘘声，表示抗议。尽管如此，先驱者号团队必须执行NASA总部的决定。
　　飞掠土星系统
　　1979年7月31日，先驱者11号开始观测土星。此时，旅行者1号与旅行者2号也已先后结束对木星的探测，正朝着土星飞来。
　　1979年8月26日，先驱者11号拍摄的土星、土星环与土卫五（土星右下的白点）。图片来源：NASA
　　1979年8月29日，先驱者11号进入土星系统，先后飞掠土卫八 （距离103.2535万千米） 与土卫九 （距离1371.3574万千米） 。 [2]
　　1979年8月31日，先驱者11号飞掠土卫七 （距离66.6153万千米） 。 [2]  同日，它在距离土星150万千米处探测到了土星的弓形激波，从而首次用观测证明土星存在磁场。[1]
　　1979年9月1日，先驱者11号先后飞掠土卫十一 （距离6676千米） 、土卫十五 （距离4.596万千米） 、土卫四 （距离29.1556万千米） 与土卫一 （距离10.4263万千米） ， [2]  并穿过土星外环之外的平面，接近A环。当天16:29:34，先驱者11号到达土星近点，此时它距离土星云顶2.0591万千米，速度达到31.7千米每秒。
　　在接近与离开土星的过程中，先驱者11号拍摄了440张土星系统的照片，其中约20张的分辨率达到90千米每像素。 [1]  在此期间，它还发现了土星的F环与两颗新卫星。
　　飞掠土星后，先驱者11号又在同一天先后飞掠土卫十 （距离22.8988万千米） 、土卫三 （距离32.9197万千米） 、土卫二 （距离22.2027万千米） 、土卫十四 （距离10.9916万千米） 与土卫五 （距离34.5303万千米） 。 [2]
　　1979年9月1日，先驱者11号拍摄的土星与土星环的一部分。图片来源：NASA
　　1979年9月2日，先驱者11号飞掠土卫六 （距离36.2962万千米） 。它拍摄的土卫六照片的分辨率最高达到179千米每像素。这些图像表明土卫六是一个没有表面大气特征的橙黄色卫星。根据不同波段的图像，天文学家测出土卫六的直径为5690或5760千米。数据还表明，土卫六云层顶端的温度约为75K （零下198摄氏度） 。 [4]
　　1979年9月2日，先驱者11号在36万千米距离拍摄的土卫六。图片来源：NASA
　　在飞掠土星期间，先驱者11号的红外辐射计测量土星上层大气的红外辐射，结合无线电掩星方法，确定了土星上层大气的温度、结构等性质。它的数据表明：土星的平均温度约为零下180摄氏度，土星的主要成分是液态氢，因此不适合生命生存。 [1]
　　然后，先驱者11号向土星E环方向飞驰，离开土星。
　　1979年10月5日，先驱者11号结束对土星系统的观测。
　　飞离太阳
　　在土星引力的影响下，先驱者11号的轨道发生偏折。此后它朝着银河系中心方向飞离太阳系，开始执行星际任务。需要注意到是，它飞离太阳的方向与先驱者10号飞离的方向几乎相反。
　　1995年，先驱者11号无法再为它的仪器供电，NASA决定关闭它。1995年11月24日，人类与先驱者11号彻底失去联系。
　　现在，先驱者11号距离太阳约111天文单位 （约166亿千米） 。现在它相对太阳的速度为11.182千米每秒，以每年2.36天文单位的速度朝着现在盾牌座的方向运动。 [2]  它的速度也已超过第三宇宙速度，因此可以在将来脱离太阳系。
　　先驱者11号也携带了一块金属牌，上面的符号与图案与先驱者10号上面的那块完全一样。 （详情参见《探索太阳系边疆的先驱：先驱者10号丨行星壮游》） 由于先驱者10号只飞掠了木星，而先驱者11号还飞掠了土星，二者轨道不相同。因此，先驱者11号的牌子上的路线图是不精确的。不过这是个小问题。
　　2019年，有人 [5]  用Gaia卫星获得的恒星位置与运动速度、方向的数据推断出：约92.83万年后，先驱者11号将飞掠矮星TYC 992-192-1，与它最近时的距离为0.8光年。这是它未来257万年内能够遇到的最近的恒星。
　　插曲：从备件到复制件的先驱者H
　　1971年，先驱者10号与11号尚未被发射，它们的编号还是先驱者F与先驱者G。这一年，先驱者号团队计划将来发射先驱者H，作为先驱者G （先驱者11号） 的备件。
　　按照计划，先驱者H将在1974年被发射升空，1975年7月飞掠木星，其轨道面与木星赤道面垂直，因此可以完全观测木星的南北极。如果它成功升空，它将被改名为先驱者12号。
　　遗憾的是，在先驱者H被发射前，NASA总部否决了这个方案。后来，被拆下核电池的先驱者H被作为先驱者10号与11号的复制品放在博物馆。
　　在博物馆被吊着的先驱者H，它被作为先驱者10号与先驱者11号的复制件。图片来源：CamWow
　　＂先驱者12号＂的名称被1978年5月20日升空的探测金星的＂先驱者金星轨道器＂ （Pioneer Venus Orbiter） 所使用，它也被称为＂先驱者金星1号＂ （Pioneer Venus 1） 。
　　先驱者11号飞掠木星时，与木星赤道面的夹角为52度，观测到木星的南北极的部分区域，因此也算部分实现了先驱者H的目标。真正实现先驱者H的轨道模式的是后来被发射升空的太阳探测器尤利西斯 （Ulysses） 与木星探测器朱诺 （Juno） 。尤利西斯与太阳赤道面的夹角达到80.2度，几乎垂直。朱诺则与木星赤道面完全垂直 （夹角为90度） ，属于典型的极轨探测器。
　　先驱者11号的历史贡献
　　先驱者11号是第一颗近距离探测土星系统的探测器，它实现了人类近距离探测土星系统的梦想。
　　在进入土星系统后，先驱者11号上面的各种仪器获得了土星、土星环与土星卫星的数据。它获得的近红外数据使天文学家可以确定土星上层大气的温度、结构与土卫六的温度；它在可见光波段获得的图像的品质超过了地球上当时所有望远镜获得的图像，成为天文学家研究土星系统细节的第一批珍贵图像；它获得的土星磁场的数据，使天文学家可以绘制土星的磁层和磁场分布、强度、方向与结构，并确定太阳风粒子与土星系统磁场相互作用的细节；它的近距离观测提供了土星环的大量细节，并帮助天文学家发现了土星环的F环；它通过飞掠，精确测定了土星与土星的一些卫星的质量。
　　此外，先驱者11号虽然不是第一个近距离探测木星系统的探测器，但它却在更近的距离处获得了木星更清晰的图像，并首次获得木星两极的图像。它对木星的探测进一步深化了人类对木星性质的认识。
　　为了纪念无人探索飞船在探索太阳系内行星与月球方面的重大贡献，美国邮政局于1991年10月1日发行了一套共10枚邮票，描述了太阳系当时的＂九大行星＂与月球被探索的情况 （当时冥王星依然被视为行星） 。在这套邮票中，木星的那一张搭配先驱者11号，而不是最早探测木星的先驱者10号，而土星、天王星与海王星都搭配旅行者2号。
　　笔者的个人观点是：虽然先驱者11号与旅行者2号分别对木星与土星做出更清晰的观测，但第一次成功接近并传回数据的分别是先驱者10号和11号。因此，更合理的搭配也许应该是：木星-先驱者10号，土星-先驱者11号，天王星与海王星-旅行者2号。
　　1991年10月1日发行的木星与先驱者11号邮票。图片来源：United States Postal Service
　　先驱者11号的成功也为此后执行任务的旅行者1号、旅行者2号与卡西尼-惠更斯号探测器探测土星积累了第一批宝贵经验，并为旅行者2号探测天王星与海王星扫清了道路。特别是，它验证了土星环内部的颗粒环境，确保旅行者2号将来可以安全通过预定路线。
　　当年先驱者号团队的成员一度因先驱者11号为旅行者2号而牺牲自己最后的探测目标而愤愤不平，但随着后来旅行者2号成功探测了天王星与海王星，他们也释然了。因为他们知道，先驱者11号为旅行者2号作了开路先锋，从而为人类探索这两颗冰巨行星做出了自己的重要贡献。
　　参考文献
　　[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. 这篇论文的扩展版本见：arXiv:1912.03503 (https://arxiv.org/abs/1912.03503)
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