为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

  Where have all the flowers gone? 

  Long time passing. 

  Where have all the flowers gone? 

  Long time ago. 

  (大意:时光漫漫流逝,所有的花都去了哪?) 

  ——美国民谣《 Where have all the flowers gone》  

  前天,在轨工作近3年的天宫二号空间实验室功成身退,在科技人员的控制下,离开正常工作轨道,回到地球母亲的怀抱。在一千多天的工作中,她接待了来访的神舟十一号飞船,在一个月的时间里为宇航员们提供了一个安全、舒适的太空之家。她与天舟一号成功进行了自动对接与推进剂补加试验,为今后中国空间站的建设和货运飞船的使用验证了关键技术。在她的“怀抱”中,来自地面的种子在太空中生长发芽,大量空间试验顺利进行,给科研人员提供了丰富的数据资料。

  在大气层中滑出绚烂的烟火后,天宫二号最终将安眠在南太平洋的海底。在那里,陪伴她的是一百多艘曾经翱翔过太空的航天器。

  Part.1 

  放任不管,天宫二号会成为“高空抛物”吗? 

  天宫二号高度约为370公里的近圆轨道属于低地球轨道(LEO)范畴。在这里工作的航天器,仍然能够受到高层稀薄大气的阻力作用。对于LEO轨道上重量、体积比较小的人造卫星来说,如果工作寿命到达后放任不管,虽然会成为太空垃圾,对未来的航天飞行制造一定麻烦,但它们终究会在大气阻力的作用下自然坠落,并在大气中燃烧殆尽,不会对地面的人员设施产生“高空抛物”式的威胁。

  然而,对于载人飞船、空间实验室甚至是空间站这种大型航天器来说,与大气层的相互作用虽然会让她们支离破碎,但产生的大块碎片仍然具有较大的安全隐患。为了将可能的危险降到最低,各国的航天机构都选中了位于南太平洋的一块区域,作为近地轨道运行的大型航天器的归宿之地。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

“航天器坟场”位置示意图 (来源:scienceabc.com)

  Part.2 

  当一艘船沉入海底 

  这片区域位于新西兰以东,是世界上距离大陆和人口稠密地区非常遥远的一个区域。不可到达的海洋极点——尼莫点,就位于这个区域附近。这个点是海洋上与大陆距离最远的一个点。这里不但已经远离了人口稠密的地区,连飞机和轮船都很少经过。

  因此,从天而降的航天器在此砸到小朋友或花花草草的风险最小,这些劳苦功高的航天器们可以在此安然投入地球母亲的怀抱。在寿命即将结束时,技术人员会利用航天器自身的动力主动离开原轨道,进入一条落点位于这个区域的再入弹道中。

  据不完全统计,有一百多艘航天器在这个被称为“航天器坟场”的区域中长眠。在她们之中,数量最大的是苏联/俄罗斯为空间站提供补给的“进步”号飞船。这些飞船自上世纪七十年代,就开始服务苏联的“礼炮”系列空间站。

  直到现在,她们仍然是正在运行的国际空间站的“快递小哥”之一。除了“进步”号外,近年来新研制的欧空局ATV飞船、日本HTV飞船,在完成上行运输任务后,也会携带者空间站抛弃的废物坠落于此。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

NASA出动飞机,对2008年9月29日坠落航天器坟场的ATV飞船进行了观测。图中是正在大气层中燃烧的ATV飞船及散落的残骸。(来源:NASA)

  Part.3 

  沉寂于此的最大航天器是 

  苏联/俄罗斯的“和平”号空间站 

  2001年3月15日,这艘接待过俄美两国航天器和世界各国宇航员的空间站受控离轨,再入大气层。总重达143吨的空间站在距离地面约95公里的地方开始解体,最终有六块总重约20-25吨的残骸坠入大海。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

天宫二号和天舟一号曾经在天上比翼齐飞,

最终也安眠在了一起。(来源:中国载人航天)

  当天宫二号最终沉入海底时,应该不会感到寂寞,因为她的老朋友——天舟一号,早已经在这等她。在阳光无法到达的海底,温度虽有点低但却相对恒定。这些在太空中极寒极热和强辐射环境中漂泊已久的游子们,在这里也许能找到回家的感觉,好好的睡上一觉。

  Part.4 

  冲向土星,卡西尼号的生命绝唱 

  在太空中工作的航天器,仍需要燃料来驱动发动机,维持自身的轨道和姿态。而一旦燃料耗尽,航天器既无法控制自己往哪飞、又无法控制自己的科学仪器与天线朝向哪个方向,无法维系正常的工作。

  2017年,当对土星及其卫星实施探测的卡西尼号燃料即将耗尽之时,科学家和技术人员们决定利用最后的一点燃料,控制卡西尼号撞向土星。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

卡西尼号拍摄的土星卫星瑞亚,图中的背景为土星本体,黑线为从侧面看去的土星环。(来源:NASA/JPL)

  在远离地球的深空之中,太空垃圾的问题还未出现,而卡西尼号之所以要用这种壮丽的方式结束,是为了保护土星的两颗卫星——泰坦、恩赛勒达斯。

  通过以往的探测与研究,科学家们认为这两颗卫星与土星本身的环境非常不同,其上可能存在着适宜生物存在的环境。在无法控制轨道的情况下,卡西尼号有可能撞向这两颗卫星的表面。小小的卡西尼号当然不可能击毁巨大的天体,然而她身上有可能携带的地球微生物,却会对尚未充分探测的这两颗卫星带来潜在的污染风险。

  虽然这个局面出现的可能性很小,但为了最大程度的避免无可挽回的后果出现,NASA还是决定以撞向土星的壮丽的方式,结束卡西尼号的工作。

  即便在生命的最后时刻,卡西尼上的12台科学仪器中有8台仍在正常工作,为科学家们传回她最后一段轨迹上关于土星大气、磁场的宝贵数据,帮科学家们又看到了一片新的世界。

  2017年9月15日,协调世界时11时55分46秒,位于澳大利亚的深空天线收到了卡西尼号发来的最后的电波。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

艺术家想象中的卡西尼号的最后一刻。(来源:Wikipedia)

  Part.5 

  火星没有救援,埋在火星风暴中的“机遇号” 

  而对于“机遇号"这样的火星车来说,工作的结束似乎来得有点突然。

  这艘设计寿命仅为90火星天的火星车,在火星上足足工作了五千多个火星天。当人们对她发回的壮美照片和科学数据已经习以为常时,2018年6月的一场火星风暴改变了机遇号的命运。

  遮天蔽日的火星沙尘阻挡了阳光,使机遇号的太阳能电池板无法产生足够的电能。即便风暴结束,落在电池板上的灰尘也阻碍了正常的供电。科学家们本来寄希望于当年11月至次年1月的和风能够吹走这些沙尘,但通过深空天线向机遇号发送的信息却始终得不到回应。

  今年2月12日,NASA结束了联系机遇号的尝试。在发动给机遇号的最后一道电波中,地面的控制人员为机遇号播放了一首名叫“未来再会”(I'll be seeing you)的歌曲。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

机遇号在火星上留下的车辙。(来源:NASA/JPL)

  除了卡西尼号和机遇号以外,去往月球、火星或太阳系其他地方的深空探测器,在燃料或供电中断之后,或永远的飘在原来的轨道上,或撞击到某一个临近天体上,或就地停留在她们结束工作的地方。

  当她们从地球上启程时,科学家们寄希望于她们能够走入一片新的领域,为我们认识太空和行星带来前所未有的发现。而她们也大都没有辜负大家的希望,在超期服役并耗尽自己最后一点力气后,停在了路的尽头。

  Part.6 

  坎坷之路,终抵群星 

  在上世纪70年代,美国相继发射了先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号四艘探测器。这四艘飞船在完成各自对于太阳系外行星的探索任务之后,都继续飞向了更遥远的地方。除了传回科学数据外,这四艘探测器还有一项共同的终身任务:向地外文明传递来自地球的讯息。

  首先,要告诉外星人地球位于何方。在茫茫宇宙中,标出自己的位置并不是一件轻而易举的事情,“银河系中太阳系的第三颗大行星”这种描述可能并不能给他们明确的信息。银河系、太阳系这些我们以地球为参考定义的概念,另一个文明并不知晓。为此,科研人员特地选择了14颗脉冲星作为宇宙中照亮前往地球之路的“灯塔”,标示在两艘先驱者飞船所携带的铝合金板上。

  这些脉冲星的辐射频率都是独特的。如果捕获探测器的文明与我们具备同样的科技水平,他们就能从已经观测到的脉冲星中数据中确定这些脉冲星到底是哪几颗,进而根据我们所给出的距离图示,确定太阳系的位置。铝合金板底部的示意图进一步说明了这艘飞船来自于太阳附近的第三颗行星,也就是我们的地球。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

先驱者号上携带的铝合金板 (来源:NASA)

  而要让外星人读懂这些信息,科学家们选择了宇宙间的通用语言——物理与数学。他们以氢这种宇宙中最广泛存在物质的物理特性图像标示单位时间,又以二进制这种最容易理解的数学表达标示脉冲星的周期相对于单位时间的倍数。

  如果外星人与我们的科技水平相当,他们应该很容易理解这些语言。而在旅行者1号和2号的金唱盘表面,不但用类似方式标出了地球的位置,还给出了读取唱盘的方式,使外星人能够读取出金唱盘里描述地球生活的图像、声音,不同语言对外星人的问候,以及一对恋人相爱时的脑电信号。

为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

旅行者号携带的金唱盘外观 (来源:NASA)

  在太阳光暗弱的外太阳系飞行,依靠太阳能电池板供电显然不是一个好主意。这四艘远行的探测器上,电能的来源都是从同位素衰变过程中提取能量的RTG电池。

  然而,随着时间的推移,RTG中的同位素燃料将逐渐消耗,电池能够提供的供电功率也会越来越低。1995年和2005年,先驱者11号和10号先后因供电不足而终止与地球的通信,而旅行者1号和2号在穿过日球层顶后,估计也将在2020年左右耗尽电能,与地球中断联系。

  但是,她们的任务不会就此终结,而是会一直向着繁星飞去。宇宙中发生的变化动辄以万年为单位计量,这几艘探测器到达最近接其他恒星的位置时,时间早已经过去了数万甚至数十万年。那些人类对于其他文明善意和友谊的信息,赋予了她们在星辰间永恒的生命。

  Part.7 

  也许,她们都去了同一个地方 

  无论航天器实体的归宿如何,也许她们都去了同一个地方,就是我们的心里。

  从纯物质的视角看,航天器不过是人类创造的诸多工业品中的一个,而我们之所以愿意一遍又一遍讲起她们的故事,是因为她们身上体现着人类精神最光辉的一面。

  一大批才华出众又认真负责的人被有效的组织起来,克服重重困难,运用我们对客观世界的例行认识,用那些看似晦涩又严肃的公式、符号、图纸,实现着人类心中原始的冲动:我们想走向一片未知的世界。

  作为精神符号,这些航天器的名字和故事将会留在一代又一代人的心中。也许某天,穿梭于近地轨道已是家常便饭,去往月球和太阳系的其他行星也不再困难。

  到那时,我们依然会提起神舟、嫦娥、玉兔、天舟、天宫这些先驱者,也依然会在夜空中找到蛇夫座和望远镜座时告诉孩子们,旅行者1号和2号正在那里,把我们的话讲给星星们听。

  为什么南太平洋成为了天宫二号最后的归宿地?

玉兔号回望家乡的想象图。来源:微博 @月球车玉兔

  (作者注:航海和航空中以“她”(She)指代远航的轮船与飞机,本文按照这一惯例称呼所有航天器为“她”。)

  出品:科普中国

  制作:李会超(哈尔滨工业大学(深圳))

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