Question

远在228亿公里外的旅行者1号，是怎么把信号传回地球的？

Answer 1

宇宙那么大，人类的活动范围却非常小，迄今为止，人类去过最远的地方就是月球，而月球与地球的平均距离只有38万公里。当然了，人类还发射了各式各样的探测器，如果将它们也算上，那人类的活动范围就要大很多了。

在人类已发射的众多探测器中，距离地球最远的旅行者1号无疑是最引人注目的，在1977年发射升空之后，旅行者1号连续利用了木星和土星的“引力弹弓”，大幅地提升了自己的飞行速度，在此之后，它就一直朝着宇宙深处飞行，到了2021年，旅行者1号已经飞到228亿公里之外。

即使用光速前进，也需要20多个小时才能跑完228亿公里，对于人类而言，这段距离可以说是非常遥远的。令人称奇的是，远在228亿公里外的旅行者1号，却依然与地球保持着联系，所以问题就来了，它是怎么把信号传回地球的呢？

实际上，旅行者1号并没有用什么“黑 科技 ”来进行通信，它采用的其实就是普通的无线电通信技术，简单来讲就是，它先将需要传送的信息调制成无线电信号，然后把这些信号直接传回地球（中途没有任何中继器）。

旅行者1号的能量来自于自身携带的3块钚放射性同位素温差发电机（即利用钚放射性同位素的衰变获取电能的“核电池”），其总功率为420瓦。

为了保证无线电信号传输的成功率，旅行者1号的发射频率选择了无线电干扰极小的8GHz频段，并配备了一个直径达3.7米的“高增益天线”，它可以将信号集中向某一个方向发射，从而大幅增加信号传输的距离，而这也是人类在当时制造出的口径最大的反射面天线。

除此之外，旅行者1号还配有当时精度最高的陀螺仪，这可以帮助旅行者1号修正天线的方向，使其发送信号的方向始终对准地球。

虽然旅行者1号采用了当时最先进的无线电通信设备，但随着距离的增加，无线电信号的强度也会指数级地下降，时至今日，当旅行者1号发出的信号到达地球时，其功率已经低至10^-22瓦（即一百万亿亿分之一瓦）。

“想要接收到非常微弱的信号，就必须要有直径足够大的天线，如果一个不够的话，我们还可以建造很多个组合起来使用”，基于这种思路，NASA于20世纪60年代就开始建造深空网络（Deep Space Network, 简称DSN）。

深空网络其实就是一大堆的天线，它们的灵敏度极高，“个头”也很大，其中最大的天线可达70米，科学家将这些天线组合起来，就形成了一个非常强大的无线电通信系统，即使旅行者1号已经飞到228亿公里之外，深空网络照样也可以接收到它传回地球的信号。

目前该系统分为三个站点，分别为“戈尔德斯通深空站”（Goldstone View）、“马德里深空站”（Madrid View）以及“堪培拉深空站”（Canberra View）。

如上图所示，这三个站点在地球表面呈120度分布（经度），这样就可以避免因为地球的自转而产生的“通信盲区”，从而实现与宇宙深空中的探测器进行全天24小时的不间断通信。

近几十年以来，科学家一直在使用新技术来提升深空网络的远距离通信能力，比如说用全息对齐技术来提高聚焦信号的准确度、用新材料来增大天线的直径、用更精密的面板来提高精度，又或者直接用更先进的天线来替换老旧的天线。

尽管如此，深空网络也不可能一直与旅行者1号保持联系，我们完全可以推测出，随着距离的增加，旅行者1号传回地球的信号将会越来越微弱，直到最终消失在宇宙的背景杂音之中。

另一方面来讲，在飞行了44年之后，旅行者1号的“核电池”已经支撑不了多久了，科学家估计，旅行者1号的能量将在2025年消耗殆尽，在此之后，它就会彻底与地球断开联系，从此在茫茫的宇宙空间中孤独地漂泊。