世界不思議

飛行42年,距地球182億公里,我們怎麼接收到旅行者2號的微弱信號

對於我們很多人來說,宇宙深處是一個很讓人嚮往的地方,可能很多朋友都希望未來有一天能夠踏上外星球的表面,或者到外太空中來一場太空旅行。當然,從目前的科技水平來看,在短時間內實現大規模的太空旅行,或者到達外星球,還是有很多技術等方面的難題。雖然我們目前還沒能夠真正實現載人星際飛行,但是有一些無人探測器已經可以到達太陽係其它行星附近或者登上太陽系某些行星的表面,有一些探測器甚至正在朝著太陽系外飛去。

1977年8月20日,NASA發射了旅行者2號探測器,先後飛掠了木星、土星、天王星、海王星以後,朝著太陽系外飛去,至今這個探測器已經在太空中飛行了42年。NASA的科學報告指出,2018年12月10日,“旅行者2號”探測器成為繼旅行者1號探測器以後第2個進入星際空間的探測器,目前旅行者2號探測器離我們地球的距離已經達到180億公里。

從發射時間來看,旅行者2號探測器比它的姊妹船旅行者1號探測器發射更早,旅行者1號是在1977年9月5日發射升空的,比旅行者2號探測器晚了近半個月,不過,兩者進入星際空間的時間差別非常大,旅行者1號探測器率先在2012年8月25日進入了星際空間,是世界上第一個進入星際空間的探測器,在6年後,旅行者2號探測器才進入星際空間。不管進入星際空間順序的先後,這些探測器的到來,將我們此前未曾到達的星際空間的景象展現在我們面前。

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從距離來看,旅行者2號與我們地球的距離已經達到180億公里,探測器發回的信號,我們還能接收到嗎?我們先看看旅行者2號是怎麼與地球通訊的。由於在外太空中,沒傳播的介質,所以我們在宇宙中說話的聲音是沒法傳播的。我們也不可能通過接線的方式,將旅行者2號探測器的信號傳回來,所以旅行者2號是怎麼與地球實現通訊的呢?

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其實,早在100多年前,我們人類就解決了這個傳播信號的問題。在1895年,意大利人馬可尼就已經成功進行了以無線電波傳播信號的實驗,隨後在1899年建立了跨越英吉利海峽的英法之間的無線電通信,在1901年更是實現了橫跨大西洋的無線電通信。這也就是無線電技術,可以將信息加載到無線電波,而無線電波傳播的速度非常快,與光速相當,當這些無線電信號到達接收端時,電波就會引起電磁場變化,在導體中產生電流,緊接著通過解調的方法將信息從電流的變化中提取出來,從而達到信息傳播的效果。在宇宙深處飛行的探測器,就是將“看到”的景像以無線電的方式光速傳回地球。

問題是,這些探測器本身的功率並不是很大,能夠發射的信號強度也是比較微弱的,再加上這些信號會隨著距離越遠,削減得越明顯,強度越來越低。就像我們拿著手電筒朝著遠方照射,距離越遠,我們看到的手電筒光線就越暗。目前旅行者2號離我們地球已經達到180億公里,所發回的信號已經極為微弱,我們是怎麼接收到這些極為微弱的信號的呢?

一般情況下,我們是沒法接收到這些信號的。為了實現與這些宇宙深空的探測器進行通訊,NASA建立了深空網絡(即DeepSpaceNetwork,簡稱:DSN),分別在美國、西班牙、澳大利亞三個地區建立了深空通信設施,三個地區的接收器剛剛好呈120度分佈的佈局,所以可以360度接收到來自宇宙深處探測器發回的信號,即使地球在自轉的過程中,還是可以連續與探測器進行通訊。

當然,360度也只能讓連續通訊成為可能,需要接收到這些微弱的信號,就必須想辦法讓這些微弱的信號“增強”,所以這些接收站都會安裝一些看起來像“大鍋”的可控拋物面天線,可以將這些微弱的信號反射到接收器,集中起來收集。其中一個可控拋物面天線是位於澳大利亞堪培拉的Deep Space Station 43(DSS-43),其寬度達到70米,NASA的科學報告指出,這一個可控拋物面天線在2020年3月就已經開始升級,預計要到2021年1月才會完成升級。

由於Deep Space Station 43(DSS-43)可控拋物面天線是唯一能夠向旅行者2號探測器發送指令的天線,所以在升級期間,我們地球是沒法向旅行者2號探測器發出信號的。不過,這不影響旅行者2號探測器發回信號,因為其他的天線還是可以接收到旅行者2號探測器發回的信號。

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