為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

  Where have all the flowers gone? 

  Long time passing. 

  Where have all the flowers gone? 

  Long time ago. 

 ?。ù笠猓簳r光漫漫流逝,所有的花都去了哪?) 

  ——美國民謠《 Where have all the flowers gone》  

  前天,在軌工作近3年的天宮二號空間實驗室功成身退,在科技人員的控制下,離開正常工作軌道,回到地球母親的懷抱。在一千多天的工作中,她接待了來訪的神舟十一號飛船,在一個月的時間里為宇航員們提供了一個安全、舒適的太空之家。她與天舟一號成功進行了自動對接與推進劑補加試驗,為今后中國空間站的建設和貨運飛船的使用驗證了關鍵技術。在她的“懷抱”中,來自地面的種子在太空中生長發芽,大量空間試驗順利進行,給科研人員提供了豐富的數據資料。

  在大氣層中滑出絢爛的煙火后,天宮二號最終將安眠在南太平洋的海底。在那里,陪伴她的是一百多艘曾經翱翔過太空的航天器。

  Part.1 

  放任不管,天宮二號會成為“高空拋物”嗎? 

  天宮二號高度約為370公里的近圓軌道屬于低地球軌道(LEO)范疇。在這里工作的航天器,仍然能夠受到高層稀薄大氣的阻力作用。對于LEO軌道上重量、體積比較小的人造衛星來說,如果工作壽命到達后放任不管,雖然會成為太空垃圾,對未來的航天飛行制造一定麻煩,但它們終究會在大氣阻力的作用下自然墜落,并在大氣中燃燒殆盡,不會對地面的人員設施產生“高空拋物”式的威脅。

  然而,對于載人飛船、空間實驗室甚至是空間站這種大型航天器來說,與大氣層的相互作用雖然會讓她們支離破碎,但產生的大塊碎片仍然具有較大的安全隱患。為了將可能的危險降到最低,各國的航天機構都選中了位于南太平洋的一塊區域,作為近地軌道運行的大型航天器的歸宿之地。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

“航天器墳場”位置示意圖 (來源:scienceabc.com)

  Part.2 

  當一艘船沉入海底 

  這片區域位于新西蘭以東,是世界上距離大陸和人口稠密地區非常遙遠的一個區域。不可到達的海洋極點——尼莫點,就位于這個區域附近。這個點是海洋上與大陸距離最遠的一個點。這里不但已經遠離了人口稠密的地區,連飛機和輪船都很少經過。

  因此,從天而降的航天器在此砸到小朋友或花花草草的風險最小,這些勞苦功高的航天器們可以在此安然投入地球母親的懷抱。在壽命即將結束時,技術人員會利用航天器自身的動力主動離開原軌道,進入一條落點位于這個區域的再入彈道中。

  據不完全統計,有一百多艘航天器在這個被稱為“航天器墳場”的區域中長眠。在她們之中,數量最大的是蘇聯/俄羅斯為空間站提供補給的“進步”號飛船。這些飛船自上世紀七十年代,就開始服務蘇聯的“禮炮”系列空間站。

  直到現在,她們仍然是正在運行的國際空間站的“快遞小哥”之一。除了“進步”號外,近年來新研制的歐空局ATV飛船、日本HTV飛船,在完成上行運輸任務后,也會攜帶者空間站拋棄的廢物墜落于此。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

NASA出動飛機,對2008年9月29日墜落航天器墳場的ATV飛船進行了觀測。圖中是正在大氣層中燃燒的ATV飛船及散落的殘骸。(來源:NASA)

  Part.3 

  沉寂于此的最大航天器是 

  蘇聯/俄羅斯的“和平”號空間站 

  2001年3月15日,這艘接待過俄美兩國航天器和世界各國宇航員的空間站受控離軌,再入大氣層??傊剡_143噸的空間站在距離地面約95公里的地方開始解體,最終有六塊總重約20-25噸的殘骸墜入大海。

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天宮二號和天舟一號曾經在天上比翼齊飛,

最終也安眠在了一起。(來源:中國載人航天)

  當天宮二號最終沉入海底時,應該不會感到寂寞,因為她的老朋友——天舟一號,早已經在這等她。在陽光無法到達的海底,溫度雖有點低但卻相對恒定。這些在太空中極寒極熱和強輻射環境中漂泊已久的游子們,在這里也許能找到回家的感覺,好好的睡上一覺。

  Part.4 

  沖向土星,卡西尼號的生命絕唱 

  在太空中工作的航天器,仍需要燃料來驅動發動機,維持自身的軌道和姿態。而一旦燃料耗盡,航天器既無法控制自己往哪飛、又無法控制自己的科學儀器與天線朝向哪個方向,無法維系正常的工作。

  2017年,當對土星及其衛星實施探測的卡西尼號燃料即將耗盡之時,科學家和技術人員們決定利用最后的一點燃料,控制卡西尼號撞向土星。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

卡西尼號拍攝的土星衛星瑞亞,圖中的背景為土星本體,黑線為從側面看去的土星環。(來源:NASA/JPL)

  在遠離地球的深空之中,太空垃圾的問題還未出現,而卡西尼號之所以要用這種壯麗的方式結束,是為了保護土星的兩顆衛星——泰坦、恩賽勒達斯。

  通過以往的探測與研究,科學家們認為這兩顆衛星與土星本身的環境非常不同,其上可能存在著適宜生物存在的環境。在無法控制軌道的情況下,卡西尼號有可能撞向這兩顆衛星的表面。小小的卡西尼號當然不可能擊毀巨大的天體,然而她身上有可能攜帶的地球微生物,卻會對尚未充分探測的這兩顆衛星帶來潛在的污染風險。

  雖然這個局面出現的可能性很小,但為了最大程度的避免無可挽回的后果出現,NASA還是決定以撞向土星的壯麗的方式,結束卡西尼號的工作。

  即便在生命的最后時刻,卡西尼上的12臺科學儀器中有8臺仍在正常工作,為科學家們傳回她最后一段軌跡上關于土星大氣、磁場的寶貴數據,幫科學家們又看到了一片新的世界。

  2017年9月15日,協調世界時11時55分46秒,位于澳大利亞的深空天線收到了卡西尼號發來的最后的電波。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

藝術家想象中的卡西尼號的最后一刻。(來源:Wikipedia)

  Part.5 

  火星沒有救援,埋在火星風暴中的“機遇號” 

  而對于“機遇號"這樣的火星車來說,工作的結束似乎來得有點突然。

  這艘設計壽命僅為90火星天的火星車,在火星上足足工作了五千多個火星天。當人們對她發回的壯美照片和科學數據已經習以為常時,2018年6月的一場火星風暴改變了機遇號的命運。

  遮天蔽日的火星沙塵阻擋了陽光,使機遇號的太陽能電池板無法產生足夠的電能。即便風暴結束,落在電池板上的灰塵也阻礙了正常的供電??茖W家們本來寄希望于當年11月至次年1月的和風能夠吹走這些沙塵,但通過深空天線向機遇號發送的信息卻始終得不到回應。

  今年2月12日,NASA結束了聯系機遇號的嘗試。在發動給機遇號的最后一道電波中,地面的控制人員為機遇號播放了一首名叫“未來再會”(I'll be seeing you)的歌曲。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

機遇號在火星上留下的車轍。(來源:NASA/JPL)

  除了卡西尼號和機遇號以外,去往月球、火星或太陽系其他地方的深空探測器,在燃料或供電中斷之后,或永遠的飄在原來的軌道上,或撞擊到某一個臨近天體上,或就地停留在她們結束工作的地方。

  當她們從地球上啟程時,科學家們寄希望于她們能夠走入一片新的領域,為我們認識太空和行星帶來前所未有的發現。而她們也大都沒有辜負大家的希望,在超期服役并耗盡自己最后一點力氣后,停在了路的盡頭。

  Part.6 

  坎坷之路,終抵群星 

  在上世紀70年代,美國相繼發射了先驅者10號、先驅者11號、旅行者1號、旅行者2號四艘探測器。這四艘飛船在完成各自對于太陽系外行星的探索任務之后,都繼續飛向了更遙遠的地方。除了傳回科學數據外,這四艘探測器還有一項共同的終身任務:向地外文明傳遞來自地球的訊息。

  首先,要告訴外星人地球位于何方。在茫茫宇宙中,標出自己的位置并不是一件輕而易舉的事情,“銀河系中太陽系的第三顆大行星”這種描述可能并不能給他們明確的信息。銀河系、太陽系這些我們以地球為參考定義的概念,另一個文明并不知曉。為此,科研人員特地選擇了14顆脈沖星作為宇宙中照亮前往地球之路的“燈塔”,標示在兩艘先驅者飛船所攜帶的鋁合金板上。

  這些脈沖星的輻射頻率都是獨特的。如果捕獲探測器的文明與我們具備同樣的科技水平,他們就能從已經觀測到的脈沖星中數據中確定這些脈沖星到底是哪幾顆,進而根據我們所給出的距離圖示,確定太陽系的位置。鋁合金板底部的示意圖進一步說明了這艘飛船來自于太陽附近的第三顆行星,也就是我們的地球。

為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

先驅者號上攜帶的鋁合金板 (來源:NASA)

  而要讓外星人讀懂這些信息,科學家們選擇了宇宙間的通用語言——物理與數學。他們以氫這種宇宙中最廣泛存在物質的物理特性圖像標示單位時間,又以二進制這種最容易理解的數學表達標示脈沖星的周期相對于單位時間的倍數。

  如果外星人與我們的科技水平相當,他們應該很容易理解這些語言。而在旅行者1號和2號的金唱盤表面,不但用類似方式標出了地球的位置,還給出了讀取唱盤的方式,使外星人能夠讀取出金唱盤里描述地球生活的圖像、聲音,不同語言對外星人的問候,以及一對戀人相愛時的腦電信號。

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旅行者號攜帶的金唱盤外觀 (來源:NASA)

  在太陽光暗弱的外太陽系飛行,依靠太陽能電池板供電顯然不是一個好主意。這四艘遠行的探測器上,電能的來源都是從同位素衰變過程中提取能量的RTG電池。

  然而,隨著時間的推移,RTG中的同位素燃料將逐漸消耗,電池能夠提供的供電功率也會越來越低。1995年和2005年,先驅者11號和10號先后因供電不足而終止與地球的通信,而旅行者1號和2號在穿過日球層頂后,估計也將在2020年左右耗盡電能,與地球中斷聯系。

  但是,她們的任務不會就此終結,而是會一直向著繁星飛去。宇宙中發生的變化動輒以萬年為單位計量,這幾艘探測器到達最近接其他恒星的位置時,時間早已經過去了數萬甚至數十萬年。那些人類對于其他文明善意和友誼的信息,賦予了她們在星辰間永恒的生命。

  Part.7 

  也許,她們都去了同一個地方 

  無論航天器實體的歸宿如何,也許她們都去了同一個地方,就是我們的心里。

  從純物質的視角看,航天器不過是人類創造的諸多工業品中的一個,而我們之所以愿意一遍又一遍講起她們的故事,是因為她們身上體現著人類精神最光輝的一面。

  一大批才華出眾又認真負責的人被有效的組織起來,克服重重困難,運用我們對客觀世界的例行認識,用那些看似晦澀又嚴肅的公式、符號、圖紙,實現著人類心中原始的沖動:我們想走向一片未知的世界。

  作為精神符號,這些航天器的名字和故事將會留在一代又一代人的心中。也許某天,穿梭于近地軌道已是家常便飯,去往月球和太陽系的其他行星也不再困難。

  到那時,我們依然會提起神舟、嫦娥、玉兔、天舟、天宮這些先驅者,也依然會在夜空中找到蛇夫座和望遠鏡座時告訴孩子們,旅行者1號和2號正在那里,把我們的話講給星星們聽。

  為什么南太平洋成為了天宮二號最后的歸宿地?

玉兔號回望家鄉的想象圖。來源:微博 @月球車玉兔

 ?。ㄗ髡咦ⅲ汉胶:秃娇罩幸浴八保⊿he)指代遠航的輪船與飛機,本文按照這一慣例稱呼所有航天器為“她”。)

  出品:科普中國

  制作:李會超(哈爾濱工業大學(深圳))

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