1977 年 9 月 5 日，旅行者 1 号发射升空，永远地改变了我们对太阳系的认知。旅行者 2 号则在两周前的 8 月 20 日发射。就在两艘探测器离开地球大约一个月前，《大众科学》深入采访了该项目背后的科学家，了解了它的规划、NASA 对探测器的目标以及万一旅行者 1 号或 2 号发生意外的情况。原文如下：
人类最长距离的太空飞行，对太阳系外围的一次可能长达 12 年的侦察任务，即将开始。它被命名为“旅行者”。
这个名字非常贴切。这次航行将搭载两艘探测器进行一次被誉为未来星际任务的训练之旅。在离开我们的太阳系之前，这两艘旅行者号将用它们的眼睛和耳朵观察足够多的行星和卫星，足以迫使天文学家改写他们的教科书。
直到几个月前，旅行者号还被称作“水手木星-土星”。但“水手”号是一类不同的探测器，专为飞往内行星而设计。这个名字被更改了。
“水手”号和“旅行者”号都出自加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的设计和制造部门。在 8 月下旬和 9 月初——发射时间相隔 12 天——这两艘旅行者号将启程前往那些即使是最好的地面望远镜也只能提供模糊线索的区域，以了解那里究竟有什么。
詹姆斯·E·朗（James E. Long）是一位身材瘦长的工程师兼行星学家，就在一周前刚刚跑完了他的第一次波士顿马拉松。他轻轻地敲了敲小小的旅行者号模型，解释说：“我不认为这是一次只针对两颗行星的任务。实际上，这是一次 12 颗行星的任务，即使我们不去天王星。”
朗是 JPL 旅行者号团队的科学经理。他坦率地承认，去年春天，将旅行者号发送到天王星甚至海王星的选择变得突然更具吸引力——因为康奈尔大学的天文学家们发现，天王星和土星一样，也有光环（见插图）。（编者按，2017 年：见下图）
实际上，“旅行者”号可能会成为 70 年代初被批准后又被取消的、备受期待的“大旅行”任务。最初的“大旅行”计划于 1977 年发射，轨道将包含木星、土星、天王星和海王星，甚至还有前往冥王星的选项。那个项目虽已夭折，但这个想法得以保留。
“我们很快就对一次只针对木星和土星的双行星任务作为补偿奖品感到兴奋，”朗笑着说。“然后，真正的侦探工作就开始了，我们开始研究轨道。”
“我们发现了数百种可以到达木星和土星的轨道。如果我们只关心这一点，我们大概 20 分钟就能选定一个。”
然而，这并不是唯一的关心点，轨道分析耗时两年多。这次双行星深空任务的关键在于“科学”，在“旅行者”号的设计和规划过程中，科学考量始终是第一位的。
“当我们开始规划时，我们意识到了伽利略卫星的价值，”朗说。“我们最终找到了让每艘探测器都能近距离飞掠其中三颗卫星的轨道。”
这些卫星，即围绕木星运行的四颗最大卫星，是主要目标。一艘旅行者号将近距离飞掠卡利斯托、盖尼米德和欧罗巴；另一艘将近距离观测艾奥、盖尼米德和卡利斯托。两艘探测器都将远距离观测第五颗卫星阿曼尔泰亚，并在近距离探测完气态巨星木星后，被加速飞往土星。
加州理工学院物理学家、旅行者号项目科学家爱德华·斯通博士（Dr. Edward Stone）解释了木星卫星的吸引力。
“那些伽利略卫星可能代表了整个太阳系形成的缩影。”
“我们预计这些卫星会非常不同。艾奥似乎没有冰，但欧罗巴和盖尼米德可能含有冰。事实上，盖尼米德可能有一层漂浮在液态水上的冰壳。最后，卡利斯托上的冰一定非常肮脏，因为它反照率（反射率）非常低。”
詹姆斯·朗指出，这些卫星与太阳系还有另一个相似之处。它们的密度随着轨道距离的增加而减小。
“艾奥很可能看起来像火星或我们的月球，”他说。“它应该布满陨石坑。盖尼米德和卡利斯托应该看起来更像雪球。但雪球的地质学是什么样的？陨石撞击在雪球上看起来会是怎样的？”
通过相机
旅行者号的相机将告诉我们。两台彩色摄像机，一台广角，一台长焦，将传输高分辨率的卫星、行星图像，甚至可能还有土星或天王星光环的碎片图像。
旅行者号图像与之前两艘访问木星的探测器发回的图像相比，会有显著差异。先驱者 10 号和 11 号分别于 1974 年和 1975 年探测了木星，但它们的成像系统非常简陋。例如，木星的大红斑只能在一帧画面中完全看到。而在旅行者号的最高分辨率下，需要一个 40 帧的镶嵌图才能分析大红斑。如此增加的细节只是衡量旅行者号科学回报重要性的一种方式。
两艘探测器将在最接近目标行星前数月就开始对其进行拍摄。
“在木星那里，这将像是观看一部长达八个月的电影，而不是看到几张快照，”科学经理朗说。“我们将能够观察大气层的动态，甚至研究单个风暴。同样的情况也适用于土星，但还有光环。”
一磅的袋子里装了两磅的物料
旅行者号的魅力在于其任务，而非其机械。探测器本身看起来并不起眼，非常实用，这既是因为其高效的设计，也是因为我们已经看到过类似的飞往行星的飞船。
“旅行者号不需要任何技术突破，”项目经理约翰·卡萨尼（John Casani）说。“我们只是在一磅的袋子里装了两磅的物料。”
卡萨尼解释说，这部分“装载”工作集中在旅行者号的无线电系统上。
“我们对放大器进行了最先进的改进，”他说。“我们的效率达到了 30-35%，而不是正常的 20%。”
这一改进，加上旅行者号超大天线和 NASA 现有的深空网络 (DSN)，赋予了该任务巨大的潜在寿命。科学家们将能在未来 33 年内监测旅行者号的通讯，并发送指令长达一个世纪。只有当旅行者号进入星际空间，距离太阳的距离是冥王星两倍以上时，它的低语才会消失。
两艘相同的探测器各携带 10 个仪器，包括电视。加上无线电，它们支持 11 项实验。其中一些设备包括：
- 宇宙射线和低能粒子探测器。这些仪器将观测外行星周围的强辐射场以及它们之间的辐射水平。
- 磁力计，用于分析木星、土星，以及可能的天王星和海王星的磁场。磁场的强度以及它们与卫星的相互作用将为科学家们提供关于每颗行星内部深层状况的大量信息。
- 组合光谱仪和辐射计。它们将进行的测量包括每颗行星的能量平衡、大气温度和动力学以及云的特征。该设备还将使科学家能够确定行星和卫星大气层、表面和光环的元素组成。
- 光度计，除其他功能外，还将测量行星和卫星上层大气中的甲烷、氢气和氨气。
- 射电天文学套件，配备两根 33 英尺的鞭状天线，用于监测木星的强烈无线电爆发以及土星、太阳和其他来源的无线电辐射。
- 等离子体实验，用于测量行星际太阳风的状况以及太阳风与行星磁场的相互作用。
起源
这意味着什么？加州理工学院的斯通博士解释说，旅行者号将寻找关于太阳系形成的线索。这类数据最终会带来对地球更好的认识；它可以产生实用的结果，例如对天气模式或矿产分布的新见解。
例如，当旅行者号在 1980 年和 1981 年到达土星时，土卫六泰坦是一个主要目标。泰坦的半径约为 1800 英里，是太阳系最大的卫星，比水星行星还要大。而且它有大气层。
“我们对泰坦的大气层知之甚少，”斯通说。“但每个人都同意它比火星大气层密度大得多。估计约为地球大气层的 10% 到 50%。”斯通说，旅行者号将分析其成分，这可能是太阳系形成时最丰富的气体有哪些的最好的例子之一。
其他土星卫星——恩塞拉多斯、特提斯、米玛斯和瑞亚——也将被摄像机和仪器探测。天王星的情况尚未确定。
“我们还没有深入设计天王星的接近轨道，”JPL 的朗说。“在那之前还有很多路要走。”
康奈尔大学天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）称，光环的发现“极具启发性地促使我们选择了天王星选项”，这已经大大减轻了跨越这些障碍的难度。
“很明显，在太阳系外围存在着一整套未被发现的现象，”萨根说。“我们发现它们的唯一方法就是去那里。”
“太阳系外围的条件更接近于起源时的样子。那里可能保存着一些极其有趣的记录供我们解读。”
但萨根告诫不要对旅行者号抱有过多期望。
“有很多说法声称这个或那个任务将成为罗塞塔石碑，解开太阳系的历史，”他说。“但事情不会那样发生。”
然而，旅行者号将产生大量新数据。其轨道包含许多掩星的机会——探测器从行星、卫星或光环后面经过。当发生这种情况时，一些仪器将能够短暂地穿过大气层，提供对那里情况的罕见一瞥。在其他情况下，科学家们将密切关注无线电传输信号的突然变化。这些变化可以被分析，以提供关于行星质量和形状的新数据。
在土星和天王星，旅行者号将从光环后面经过。无线电信号的散射将告诉我们每个光环中物质的大小。
“如果土星光环的单个碎片像 500 米 [1640 英尺] 那么大，成像系统就能看到它们，”斯通说。“但大部分尺寸数据将来自无线电掩星。当然，我们都可能感到惊喜。”
惊喜一直是行星学的常态。天王星光环的发现只是最新的。先驱者 10 号将于 1979 年穿过土星光环，可能会提供更多信息。但最好的数据将来自旅行者号的访问。
由于轨道差异，第二艘发射的旅行者号将首先到达木星和土星。如果它能很好地完成任务，包括近距离飞掠泰坦（距离 2550 英里）并进行光环掩星，那么后来的旅行者号就可以重新定位，利用土星的引力助推前往天王星。（领先的旅行者号在离开土星后将继续飞向星辰。）
但是选择天王星选项意味着放弃第二次近距离观测泰坦和第二次光环掩星。即便如此，最初的规划也全部指向天王星：为了避免任务早期可能发生的损坏，天王星候选目标被设定为远离木星的辐射危险区域。
如果因助推器或探测器故障导致一艘旅行者号失踪，会发生什么？
“我不知道，”卡萨尼承认，“但我们会面临巨大的压力，需要我们牺牲土星任务以访问天王星。”
任务规划师查尔斯·科尔哈斯（Charles Kohlhase）考虑了各种可能性。“如果我们要在土星那里牺牲任何东西，我们最好确定我们有一艘足够健康的探测器来带我们去天王星。”
但即使是天王星也不是终点。旅行者号还可以前往海王星，在 1989 年到达。然后，它也将奔向星辰。
而在遥远的星际空间，也许当它飞过某个遥远的星系时，旅行者 1 号或 2 号可能会带来最后的惊喜。因为每艘旅行者号上都附有一张烫金的唱片。这张唱片的内容由卡尔·萨根领导的团队挑选，包括古典音乐、自然界和人造的声音，以及足够科学编码的数据，以便让其他文明了解地球和地球人。
查尔斯·科尔哈斯思考着旅行者号任务及其长期影响：“要完成所有事情，需要进行很多权衡，”他说。“但这确实是星际旅行的训练期。”
