航海家 Voyagers(下)

上期提到兩艘航海家太空船利用巨大的木星(Jupiter)重力塲將其加速飛向土星(Saturn),其相對太陽的加速高達近60萬公里/小時。接著還以同樣的原理靠土星及天王星(Uranus)重力塲加速使得航海家2號於1989年8月25日飛抵海王星(Neptune),總共旅程7,128,603,456公里,其抵達的位置和預定位置相差100公里1 -- 這種精確度是什麼樣的概念,就好比整個太平洋是一個高爾夫球埸的果嶺,旗桿洞在太平洋的中心,從台北推桿,高爾夫球滾了3,630公里進洞。

其實也不是如想像般那麼不可思議,因為太空船上裝了姿態控制系統,包括了一組非常小的推進器(thrusters),每一個推進器的推力不到0.1牛頓,因為在外太空飛行沒有阻力,靠著這些小推進器不斷的調整軌跡以達到航行的精度。

 

飛往土星(Saturn

土星是太陽系第二顆大的行星,土星最具特色的是它那複雜的環帶系統(ring system),看上去有如萬股耀眼奪目的項鍊組成(參見下圖),每股項鍊由千億顆冰塊、及汽車大小般的岩石在百萬公里的環形跑道上,井然有序的運行著,那是因為它們受到土星的重力塲以及其大小衞星,甚至鄰近環帶引力的牽制,而保持著穩定的物體間相對位置。環帶總寬有171,000公里,但是其厚度卻只有一公里,這就有如一張舊式黑膠唱片,只不過這張黑膠唱片的內緣到外緣有六公里寬。

土星(Saturn)及其環帶|講師提供

 

科學家相信它們是土星的衞星受到慧星或流星的撞擊,所產生的碎片。科學家們是根據土星的八個最小的衞星的不規則形狀才做出上述的判斷,相信這八個形狀不規則的小衞星就是大衞星被慧星或流星撞擊後的殘體。

土星大氣中有強風,風速高達每小時1,800公里比木星大氣中的強風還高;土星大氣温度平均在攝氏零下178度。土星磁塲強度大約是木星磁場的十二分之一,但是其磁向幾乎與其自轉軸相同。

土星至少有83個衞星,其中最大的衞星是土衛六(泰坦Titan),也是太陽系中第二大的衛星(最大衞星是木衞三),其體積比水星(Mercury)還大。土衛六被視為是一個奇異世界,它有著稠密的大氣層和各種碳氫化合物,這些碳氫化合物緩慢的落在由甲烷和乙烷所形成的海洋中。某些科學家認為:土衛六的大氣由75%氫氣、25%氦氣組成,它看起來就像一個小地球,但是土衛六的演化早已因冰河時期的到來而停止;土衛六大氣中的化學成份與地球上生命演化前的情況極其類似,在其地表深處或許會發現一些被涷結的有機遺跡。

 

造訪天王星(Uranus

天王星(Uranus)是太陽系中第三大行星,它遶行太陽的公轉週期是84年,自轉週期是17小時又14分鐘。1986年1月24日航海家2號到達離天王星雲層外81,500公里處。它的自旋方式跟其它行星很不一樣(參見下圖),與其赤道面的傾角是98度(地球傾角是23度半)。科學家們推測:在太陽系形成的初期,天王星可能被行星般大小的物體碰撞,而導致這種不尋常的姿態。由於近90度的傾角,天王星土沒有四季,其一極永遠向陽、另一極則永遠黑暗。航海家2號發現天王星10個新衞星和兩個新環加上原本的九個環。航海家2號也偵測到其大氣中的風速約達每小時724公里,在其雲層下800公里處有沸騰的海洋。

天王星(Uranus)及其自旋方式|講師提供

 

抵達海王星(Neptune

造訪天王星之後,航海家2號在1986年2月14日做了一次最大的航跡調整駛向海王星(Neptune),經過70億公里的旅程於1989年8月25日抵達海王星雲層外4,800公里高處,它發現了六個新衛星及四個新環。海王星是太陽系最外圍的行星也是一種很特別的行星,以後有機會再專題介紹。

 

「太陽圈」(Heliosphere

幾個世紀來科學家對於太陽圈的範圍大小一直有不同的看法,但一般都同意可界定「太陽圈」(Heliosphere),其半徑約100天文單位(Astronomical Unit, AU),一個天文單位大約等於日地距離的平均值。通過「太陽圈」邊緣的「日球層頂」(Heliopause)就進入「星際介質區」(Interstellar Medium),即所謂的「奧爾特雲團區」(Oort Cloud, 參見下圖)。

太陽圈(Heliosphere)、「日球層頂」(Heliopause)、「星際介質區」(Interstellar Medium)|講師提供

 

「太陽圈」(Heliosphere)是太空裡的一塊區域,在這個區域裡主要受太陽所支配。地球和其他行星都被包覆在這個有如蠶繭狀的磁塲泡泡中。太陽風由太陽表面吹出,風中多有電離氫等帶電原子。在這種時速有幾百萬公里的充氣和推動下,泡泡狀的太陽圈向前穿過星系。二十多年來,研究人員一直以為太陽圈前面有一層「弓型衝擊波」(bow shock)打頭陣,就好比噴射機突破「音障」(sound barrier)時所形成的「音爆」(sonic boom)。NASA最新發現:太陽圈在星際空間移動速度過慢,並未形成「弓型衝擊波」(bow shock)2(參見下圖)。

「太陽圈」(Heliosphere)並未形成「弓型衝擊波」(bow shock)2|講師提供

 

結語

航海家1號及航海家2飛出「日球層頂」(Heliopause)3|講師提供

 

航海家1號飛過土星及航海家2號飛過海王星探測後,它們的任務基本上已經完成,然而兩艘太空船還是繼續往星際方向飛行 -- 航海家1號及航海家2號分別於2012年8月及2018年11月飛越並成功的穿越「日球層頂」(Heliopause),飛出太陽系進入星際旅行3

假如航海家太空船的各種次系統沒出現故障,兩艘太空船將可持續運作到2025年,屆時其電力及其「聯氨推進劑」(hydrazine)即將用罄。航海家計劃從1972年5月開始到海王星探測完成,總共花費8億6千5百萬美元。這個數字看起來很大,但是考慮到投入總工時超過11,000工作年,傳回地球的數據超過5兆bits, 它算是NASA少數高效益,高成就的計劃之一。

 

附註一、Fact Sheet, The Voyager Planetary Mission by Jet Propulsion Laboratory, NASA.  https://voyager.jpl.nasa.gov/frequently-asked-questions/fact-sheet/

附註二、Surprise! IBEX Finds No Bow ‘Shock’ Outside our Solar System

https://www.universetoday.com

附註三、Voyager Program  https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_program

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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