飛向木星北極與土星：先驅者11號 丨行星壯遊_風聞

先驅者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。它上承先驅者10號，下啓旅行者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，也為此後執行任務的一些外行星探測器積累了寶貴的經驗。特別是，它為旅行者2號檢查了預定路線的安全性，為後者成功探測天王星與海王星鋪平了道路，從而為人類實現“行星壯遊”的壯舉起到不可替代的重要作用。

撰文 | 王善欽

先驅者10號（Pioneer 10）的成功不僅實現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）的先驅者號團隊正式啓動先驅者11號探測土星的計劃。這個計劃的具體步驟是：先驅者11號先探訪木星，然後藉助木星的引力彈弓效應實現加速、變軌，再直奔土星，實現土星探測的破冰之旅。

大同小異：先驅者11號的結構

先驅者11號與先驅者10號的結構完全一樣，都有提供電能的核電池、維持通信與用以傳輸數據的天線系統、用於探測的重要儀器與用於定位導航的系統。

先驅者11號攜帶的儀器與先驅者10號基本相同（如下圖）[1]但是，先驅者11號比先驅者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者10號重0.5千克，因此它的總質量為258.5千克。

先驅者11號（也是先驅者10號）的結構圖。主天線（高增益天線）中間未被標註的是中增益天線。圖片來源：NASA，Vectors by Mysid；圖片文字翻譯：王善欽

此外，由於發射時間晚了一年多，先驅者11號上面的儀器——特別是探測磁場與輻射的相關儀器——得到一定程度的改進。先驅者11號的推進系統、通信系統、核電池系統也與先驅者10號的完全相同。

1973年4月6日02:11:00（國際標準時，下同），先驅者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個月前升空的先驅者10號已經離開小行星帶，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，先驅者11號安全穿過了小行星帶。1973年4月11日，先驅者11號進行了一次軌道修正。

一次關鍵的變軌

1974年1月1日，先驅者10號成功結束了木星探測任務。先驅者11號不再作為先驅者10號的備件，轉而執行探測土星的方案。但它依然要先飛掠木星，從而藉助木星引力彈弓效應變軌並加速。

在確認先驅者10號大獲成功之後，旅行者號團隊希望先驅者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。

更近的路線意味着更大的風險，因此先驅者號團隊中的部分成員反對這個建議。但在權衡利弊後，先驅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着風險，也意味着巨大的收益：可以獲得木星的高清圖像。

1974年4月26日，先驅者號團隊發出指令，修正先驅者11號的軌道，從而實現三個目標。

首先，先驅者11號將比先驅者10號更接近木星，可以進行更高清晰度的觀測。

其次，先驅者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）它在進入木星系統時可以觀測木星的南北極區域。（2）它可以儘量減少先驅者11號受到的木星輻射劑量——此前先驅者10號的探測表明木星的磁場是圍繞木星赤道面的環向磁場，沿着這樣的軌道飛行，可以儘量縮短木星磁場與輻射影響儀器的持續時間。

第三，修正後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的方向相反。這使它可以在短時間內看到木星更多表面並更好地測量木星磁場。

探測木星系統

1974年11月7日，先驅者11號進行了一次變軌，開始進入木星系統。11月25日03:39，先驅者11號穿過木星的弓形激波。接下來，先驅者11號開始飛掠木星及其衞星。

先驅者11號和先驅者10號飛掠木星系統（木星及其衞星）的路線圖（木星系統軌道平面俯視圖）。可以看出，先驅者11號與先驅者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，先驅者11號先後飛掠木衞四（距離78.65萬千米）與木衞三（距離69.23萬千米）；12月3日，先驅者11號先後飛掠木衞一（距離31.4萬千米）與木衞二（距離58.67萬千米）。[2]相比先驅者10號，先驅者11號飛掠木星的四顆衞星時的距離有近有遠。

1974年12月2日，先驅者11號在75.6萬千米遠處拍攝到半月形的木衞一。圖片來源：NASA/Ames

1973年與1974年，先驅者10號與先驅者11號拍攝的木星四顆“伽利略衞星”的圖像，從左到右分別為木衞一（Io）、木衞二（Europa）、木衞三（Ganymede）與木衞四（Callisto）。其中木衞一的圖像由先驅者11號獲得。圖片來源：https://history.nasa.gov/SP-349/p180.htm

1974年12月3日5:02，先驅者11號從木星後面（相對地球的視線）經過，19分鐘後，先驅者11號到達木星近點，此時它距離木星雲頂4.2828萬千米。作為對比，先驅者10號木星近點與木星雲頂的距離是13.2萬千米。因此，先驅者11號遠比先驅者10號更靠近木星，僅為後者距離的1/3，這使得它可以得到遠比後者更清晰的木星圖像。

先驅者11號拍攝到木星大紅斑的清晰圖像，當時先驅者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，先驅者11號的速度達到了47.5千米每秒，成為截至當時為止最快的人造天體。

與先驅者10號一樣，先驅者11號上面沒有數據存儲設備，它只能在獲得數據的同時立即發送數據，所以，在它進入木星後面時，它拍攝的任何數據都無法被傳送到地球。

1974年12月3日5:44，先驅者11號從木星後面出來，開始重新發送獲得的數據。緊接着，它高速飛向木星北極區域上空。12月3日09:27，先驅者11號拍攝到木星的北極區域，當時它距離木星43.5萬千米。這是人類第一次看到木星的極區。

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

先驅者11號拍攝的包括木星北極區域在內的圖像。圖片來源：NASA

由於速度比先驅者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形輻射帶的傷害小於先驅者10號受到的傷害。

1974年12月3日，先驅者11號飛掠木衞五（距離12.75萬千米），確定了它的質量。此前先驅者10號沒有飛掠它。

1975年1月1日，先驅者11號停止對木星的探測。在探測木星系統期間，先驅者11號發回木星及其衞星的幾百張照片，對木星進行了紅外測量，並獲取了磁場與帶電粒子的數據。

飛向土星：爭論、妥協與犧牲

由於木星的巨大引力的作用，先驅者11號的軌道發生大角度的偏折。此後，先驅者號團隊發出指令，讓它在1976年5月26日和1978年7月13日先後實現兩次變軌，進一步修正了它的軌道，使其飛向軌道另外一側的土星。

先驅者11號拍攝的運行軌跡。它於1973年4月在地球上被髮射升空，1974年12月飛掠木星系統，在木星引力作用下，軌道發生明顯變化，此後探測器自身噴發出推進劑，實現變軌，飛向土星，並在1979年9月經過飛掠土星系統，然後離開太陽系。圖片來源：NASA；圖片文字翻譯：王善欽

當時，旅行者號項目已在此前被批准，相關的團隊也已經成立並確定了此後的計劃：旅行者1號將繼續探測木星系統與土星系統，以獲得更清晰的圖像；旅行者2號將執行旅行者1號的任務（如果旅行者1號失敗），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鍵步驟是：通過土星的A環，藉助土星的引力彈弓效應完成變軌與加速。為確保安全，旅行者號團隊建議先驅者11號先經過土星A環，以確定A環中的顆粒是否會損害探測器。經過討論，先驅者號團隊同意了這個方案。

然而，兩個團隊在探測器經過土星A環之後的路線選擇方面卻出現了分歧：先驅者號團隊想讓先驅者11號向土星內環方向前進，直接探測土星內環，並確定此前還處於爭議狀態的D環是否存在。旅行者團隊則要求先驅者11號朝土星外環方向前進，穿過土星的E環，再離開土星系統，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粒子的傷害。

先驅者號團隊認為，如果先驅者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，得不到天文學家感興趣的更高清的觀測，更無法直接探測土星內環。旅行者號團隊也堅持自己的建議：如果先驅者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。

兩邊反覆爭論，都無法説服對方。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環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行星科學部門的負責人宣佈這個決定時，現場的先驅者號團隊的成員發出一片噓聲，表示抗議。儘管如此，先驅者號團隊必須執行NASA總部的決定。

飛掠土星系統

1979年7月31日，先驅者11號開始觀測土星。此時，旅行者1號與旅行者2號也已先後結束對木星的探測，正朝着土星飛來。

1979年8月26日，先驅者11號拍攝的土星、土星環與土衞五（土星右下的白點）。圖片來源：NASA

1979年8月29日，先驅者11號進入土星系統，先後飛掠土衞八（距離103.2535萬千米）與土衞九（距離1371.3574萬千米）。[2]

1979年8月31日，先驅者11號飛掠土衞七（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，先驅者11號先後飛掠土衞十一（距離6676千米）、土衞十五（距離4.596萬千米）、土衞四（距離29.1556萬千米）與土衞一（距離10.4263萬千米），[2]並穿過土星外環之外的平面，接近A環。當天16:29:34，先驅者11號到達土星近點，此時它距離土星雲頂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，先驅者11號拍攝了440張土星系統的照片，其中約20張的分辨率達到90千米每像素。[1]在此期間，它還發現了土星的F環與兩顆新衞星。

飛掠土星後，先驅者11號又在同一天先後飛掠土衞十（距離22.8988萬千米）、土衞三（距離32.9197萬千米）、土衞二（距離22.2027萬千米）、土衞十四（距離10.9916萬千米）與土衞五（距離34.5303萬千米）。[2]

1979年9月1日，先驅者11號拍攝的土星與土星環的一部分。圖片來源：NASA

1979年9月2日，先驅者11號飛掠土衞六（距離36.2962萬千米）。它拍攝的土衞六照片的分辨率最高達到179千米每像素。這些圖像表明土衞六是一個沒有表面大氣特徵的橙黃色衞星。根據不同波段的圖像，天文學家測出土衞六的直徑為5690或5760千米。數據還表明，土衞六雲層頂端的温度約為75K（零下198攝氏度）。[4]

1979年9月2日，先驅者11號在36萬千米距離拍攝的土衞六。圖片來源：NASA

在飛掠土星期間，先驅者11號的紅外輻射計測量土星上層大氣的紅外輻射，結合無線電掩星方法，確定了土星上層大氣的温度、結構等性質。它的數據表明：土星的平均温度約為零下180攝氏度，土星的主要成分是液態氫，因此不適合生命生存。[1]

然後，先驅者11號向土星E環方向飛馳，離開土星。

1979年10月5日，先驅者11號結束對土星系統的觀測。

飛離太陽

在土星引力的影響下，先驅者11號的軌道發生偏折。此後它朝着銀河系中心方向飛離太陽系，開始執行星際任務。需要注意到是，它飛離太陽的方向與先驅者10號飛離的方向幾乎相反。

1995年，先驅者11號無法再為它的儀器供電，NASA決定關閉它。1995年11月24日，人類與先驅者11號徹底失去聯繫。

現在，先驅者11號距離太陽約111天文單位（約166億千米）。現在它相對太陽的速度為11.182千米每秒，以每年2.36天文單位的速度朝着現在盾牌座的方向運動。[2]它的速度也已超過第三宇宙速度，因此可以在將來脱離太陽系。

先驅者11號也攜帶了一塊金屬牌，上面的符號與圖案與先驅者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：先驅者10號丨行星壯遊》）由於先驅者10號只飛掠了木星，而先驅者11號還飛掠了土星，二者軌道不相同。因此，先驅者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衞星獲得的恆星位置與運動速度、方向的數據推斷出：約92.83萬年後，先驅者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257萬年內能夠遇到的最近的恆星。

插曲：從備件到複製件的先驅者H

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

按照計劃，先驅者H將在1974年被髮射升空，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，它將被改名為先驅者12號。

遺憾的是，在先驅者H被髮射前，NASA總部否決了這個方案。後來，被拆下核電池的先驅者H被作為先驅者10號與11號的複製品放在博物館。

在博物館被吊着的先驅者H，它被作為先驅者10號與先驅者11號的複製件。圖片來源：CamWow

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

先驅者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域，因此也算部分實現了先驅者H的目標。真正實現先驅者H的軌道模式的是後來被髮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），屬於典型的極軌探測器。

先驅者11號的歷史貢獻

先驅者11號是第一顆近距離探測土星系統的探測器，它實現了人類近距離探測土星系統的夢想。

在進入土星系統後，先驅者11號上面的各種儀器獲得了土星、土星環與土星衞星的數據。它獲得的近紅外數據使天文學家可以確定土星上層大氣的温度、結構與土衞六的温度；它在可見光波段獲得的圖像的品質超過了地球上當時所有望遠鏡獲得的圖像，成為天文學家研究土星系統細節的第一批珍貴圖像；它獲得的土星磁場的數據，使天文學家可以繪製土星的磁層和磁場分佈、強度、方向與結構，並確定太陽風粒子與土星系統磁場相互作用的細節；它的近距離觀測提供了土星環的大量細節，並幫助天文學家發現了土星環的F環；它通過飛掠，精確測定了土星與土星的一些衞星的質量。

此外，先驅者11號雖然不是第一個近距離探測木星系統的探測器，但它卻在更近的距離處獲得了木星更清晰的圖像，並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的認識。

為了紀念無人探索飛船在探索太陽系內行星與月球方面的重大貢獻，美國郵政局於1991年10月1日發行了一套共10枚郵票，描述了太陽系當時的“九大行星”與月球被探索的情況（當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者11號，而不是最早探測木星的先驅者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，但第一次成功接近並傳回數據的分別是先驅者10號和11號。因此，更合理的搭配也許應該是：木星-先驅者10號，土星-先驅者11號，天王星與海王星-旅行者2號。

1991年10月1日發行的木星與先驅者11號郵票。圖片來源：United States Postal Service

先驅者11號的成功也為此後執行任務的旅行者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驗，併為旅行者2號探測天王星與海王星掃清了道路。特別是，它驗證了土星環內部的顆粒環境，確保旅行者2號將來可以安全通過預定路線。

當年先驅者號團隊的成員一度因先驅者11號為旅行者2號而犧牲自己最後的探測目標而憤憤不平，但隨着後來旅行者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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