我们从深空噪声信号中了解到什么

抬头看看。在我们太阳系之外的某个地方，那里温度远低于零度，一片漆黑，距离我们最近的恒星要 400 个世纪，电荷会激发出无线电信号。这个信号很微弱，大约 22 瓦，不超过普通冰箱灯泡所需的功率。信号源是旅行者一号。它的 12 英尺长的天线正在黑暗中向地球发出信号。

二十几个小时后，经过一段史诗般的星际旅程，这道涟漪波将抵达地球。当信号到达地球时，其强度已急剧减弱——降至约 0.1 亿分之一瓦。信号穿越太阳系的旅程已经结束，但它的旅程才刚刚开始。现在的挑战不仅仅是穿越银河系的这个角落；而是要听到并理解信息中的信息，这是我们自己创造的最遥远的低语。

要捕捉到这一几乎什么都没有的微小碎片，需要训练有素且技术娴熟的耳朵。需要好几只耳朵。对于旅行者一号和二号来说，它们的形状是三个 21 层楼高的碟形天线，每个天线直径 230 英尺，重近 3,000 吨，均匀分布在全球各地。它们是专为深空聆听而建造的，面朝天空，随时准备接收探测器的每日状态报告。

其中一个被称为 DSS-14 的天线耸立在南加州莫哈维沙漠的一片荒凉地带，距离最近的高速公路约 60 英里。它坐落在一座小山谷中，周围是低矮崎岖的山脉——这些山脉是早已消亡的火山的遗迹。要想靠近它，你必须通过欧文堡军事基地的两层安全门。详尽的介绍会向你介绍它的邻居，包括未爆炸的弹药、三种响尾蛇、骆驼蜘蛛、蝎子和一群野驴，它们会冲上去咬毫无防备的访客一口，只是为了好玩而已。

DSS-14 出现在道路拐弯处，像哨兵一样伫立着，在明亮的沙漠地面投下长长的、扭曲的影子。头顶上，红头美洲鹫在沙漠边缘乘风而行。除了阵风和脚步踩在沙地上发出的嘎吱嘎吱的声音外，一切都很安静。但还有另一种声音，在人类听觉无法触及的地方，与宇宙其他地方的嗡嗡声混合在一起。

位于欧文堡的综合设施——NASA 喷气推进实验室以一座废弃已久的矿业小镇的名字将其命名为戈德斯通——还安装了大约十几个小型天线，其中第一个天线于 1958 年投入使用。（退役的阿波罗天线仍然徘徊在这片灌木丛中。）在澳大利亚堪培拉郊外的丛林中以及马德里附近的罗夫莱多德查韦拉也有类似的天线场，它们于 1965 年建立。DSS-14 及其国际副本于 20 世纪 60 年代和 70 年代建成。自 1964 年水星四号任务以来，这三个阵列将我们与我们发送到近地轨道的每艘飞船连接起来。

巨大耳朵的放置位置至关重要。三个地点按经度相隔（相隔 120 度，可实现 360 度全覆盖），并且距离很近。几乎与任何物体都距离很近。隔离可防止高功率太空信号和地面通信（如空中交通管制的喋喋不休）相互干扰。

这三个设施及其天线组成了深空网络，该项目由加利福尼亚州帕萨迪纳附近的 JPL 总部负责。该系统不断监听来自大约 40 个探测器、航天器、卫星和探测车的 ping 并向它们发送命令。有些探测器距离月球很近。其他探测器则离得很远，比如绕着木星飞驰的朱诺号和 2015 年年中掠过冥王星的新视野号。当然还有旅行者一号和二号，它们都于 1977 年发射，用于研究木星和土星。它们是 NASA 或 JPL（或任何人）监管的最古老、最遥远的任务。

两艘“旅行者”号飞船下载的数据提供了有关星际空间稀薄世界的见解：有关低能带电粒子、磁场和构成我们宇宙大部分的等离子体的观测数据。数据以 1 和 0 的字符串形式随波形传输，速率为每秒 160 比特（这是最慢传真机连接信息的十五分之一）。研究这些数据有助于物理学家完成许多工作，例如勾勒出日光层（环绕太阳系的磁泡）的轮廓，并确定太阳风的速度。

在美国宇航局试验速度更快、密度更高的光通信系统之际，人们很容易认为无线电将会逐渐消失。但两者永远不会相互取代。随着旅行者号探测器将这项技术推向极限，它们提醒人们无线电波在飞行路径上收集的所有独特见解。信号在经过行星、卫星和小行星时拾取的噪声为我们了解宇宙邻居提供了一个窗口。在某些情况下，静电与信息本身一样有价值。

喷气推进实验室校园内一个房间的地板上嵌着一块铭牌，上面写着“宇宙中心”。我们向太阳系发出的所有物体发出的所有信号都会进出这个设施。这个所谓的“暗室”——在数十台显示器的照耀下显得昏暗——自深空网络成立之初就一直有工作人员全天候值班。几乎没有什么因素可以停止这里的运行。无论是下雨、大多数地震，甚至是火灾。几年前发生火灾时，工程师们隔着烟雾远程操控终端，以免错过来自太空的任何一通电话。

此刻，两名留着胡子的男子围坐在一对屏幕前，盯着一串数字和彩色线条。这是一条下行链路，来自探测器“朱诺号”，该探测器自 2016 年以来一直在绕木星运行。负责网络运营和相关暗室活动的迈克·勒维斯克站在旁边，观察并解释这个过程。“那些是数据系统操作员，”他点点头，看着那两名留着胡子的男子。“他们的工作是提取航天器信息”——温度、燃料、打开了什么、关闭了什么——“并将其发送给任务支持人员。”例如，在航海者一号上，有 160 位数据，其中只有大约 10 位与飞船上发生的事情有关。

其余数据包则被传送到其他地方，主要被传送给科学家，而不是工程师。科学家关心的是仪器告诉我们有关探测器周围空间的信息，而不是探测器本身。

屏幕前的两个人运行程序，清除所有的 1 和 0。但有时他们会保留噪音，因为干扰也是值得关注的。当信号在任何介质中传播时，受到大气或引力场的冲击，导致波的变化揭示了太空的真相。“当飞船穿过一些有趣的东西时，噪音数据就是我们想要的，”Levesque 说。在那些时刻，“信号中的噪音就是科学。”

当这种情况发生时，数据会发送给喷气推进实验室行星雷达和无线电科学小组负责人卡马尔·奥德里。他解释说，要理解他的领域，可以想象一下一辆满载孩子的校车。司机的唯一目标是安全地送走所有孩子。但如果你根本不关心这些小家伙，情况会怎样？如果你真正感兴趣的是校车，情况会怎样？

在奥德里的比喻中，学童就是信号携带的数据。信号就是公交车。飞行工程师和负责任务控制的工作人员关心数据，就像几乎每个人都关心孩子一样。但无线电科学家发现飞行器本身更有趣，因为它充满了噪音。

如果你仔细研究这辆巴士，你就能知道它在驶向目的地时经历了什么。标记、瑕疵——丑陋、畸形的部分——告诉你关于旅程的信息：不仅仅是行驶的道路，还有沿途的其他车辆、天气、交通。像奥德希里这样的人会以宇宙大小的尺度审视这些无数的缺陷。

许多早期的无线电科学实验都是无意的。早在 1971 年，当水手 9 号探测器经过火星时，它的信号穿过了火星的大气层，大气层与波相撞并改变了波。“电信行业的人认为这是一种干扰，但其他人认为，如果你研究这种干扰，你就可以确定火星大气的密度、压力，甚至温度，”奥德希里继续说道。“这就是无线电科学的开始。”

从那时起，仔细观察太空噪声加深了我们对太阳系的了解。例如，卡西尼号探测器传输中的干扰有助于揭示土星彩色光环的形成时间比行星本身晚得多——1000 万至 1 亿年前，而不是 45 亿年前。美国宇航局 2012 年的 GRAIL 月球任务涉及两艘飞船来回发送无线电波以了解月球内部；检查重力场如何干扰传输有助于证明轨道器的大部分地壳并不像我们之前想象的那么致密。

Oudrhiri 热爱无线电科学，因为它很简单。信号是一种具有振幅（高点和低点）、相位（波峰和波谷的模式）和频率（给定范围内的下降和尖峰的数量）的波。这些特征的失真很容易发现。如果你知道波纹应该如何出现，你就知道它们何时发生了变化。这就像在你看清模式之前烟消云散，这提醒你一股不知名的微风。

旅行者号探测器的宇宙嗡嗡声始终包含着一项至关重要的无线电科学知识。当两艘飞船以每小时 38,000 英里的速度继续向深空飞行时，一种被称为多普勒效应的声学现象会略微拉长其信号的波长——就像救护车驶过时警报器声调会扭曲一样。这一变化让地勤人员知道旅行者号在每天登记和呼叫到达我们这里所需的 20 个小时之间飞行了多远。这也有助于他们继续绘制星际先驱的路线。如果他们知道这东西要去哪里，他们就知道该把那些巨大的天线转向哪里再次收听它。

如今，每艘探测器都已完成其主要任务，新的目标是“我们如何才能将其延长，让它飞行多久？”旅行者号项目经理兼喷气推进实验室行星际网络理事会负责人苏珊娜·多德 (Suzanne Dodd) 说。

向这些太阳系外探测器下达指令（旨在减缓我们探索深空的机会逐渐减少）主要是为了管理探测器的电源。此时，机上所有冗余系统都已关闭。这意味着两艘飞船在极端的星际寒冷中产生的热量非常少，因此燃料管线中的肼推进剂可能会冻结。任务控制中心会循环检查系统，看看哪些系统可能值得保留，而唯一的目的就是加热管线。这是对一些仍在运行的最古老的计算机的修补工作。

旅行者号任务控制中心位于 JPL 园区外几英里处，是一栋没有任何标志、窗户很高的煤渣砌成的建筑，一眨眼就被树叶遮挡，一堵墙后是一栋不起眼的建筑。隔壁是一家麦当劳。在这里，一支由 12 人组成的团队负责保管人类有史以来制造的最遥远的物体，并对其进行操控、护理和引导，让它们继续飞向宇宙。

在那里，人们想听到信号，而不是噪音。航天器系统工程师 Fernando Peralta 非常关心旅行者一号和二号发回的信息——关于奥德里的校车上的孩子们。任何不完美的东西，任何模糊的东西，都会让他感到不安。“当我们收到信号时，我看到它是波浪形的，我想，它为什么会上下移动？这可能是航天器的整体健康状况——或者只是因为天气阴天或刮风。但对我们来说，太多的噪音就是一场灾难。”

杂乱的波纹还可能使人无法看到只有这些飞船才能提供的声景。航海者一号船上有一台数字八轨录音机，用于记录等离子波、波动的离子和电子，它们在太阳系之外形成了一种洋流。甲板仍处于通电状态（部分原因是它释放出足够的热量来使燃料管线解冻），每周三次捕捉 48 秒的环境隆隆声。当航海者一号转储数据时，加利福尼亚州或西班牙的所有活动天线至少要花四个小时才能拉下深空深处的波浪般、空灵的静电轰鸣声。

佩拉尔塔穿过一排小隔间。在他上方，天花板上悬挂着一块小标牌，上面写着“任务控制中心”。现代计算机位于一台微缩胶片阅读器旁边，团队在这里查阅旧蓝图。目前，他正在监督关闭两艘旅行者号探测器上的许多系统。每一天，当他能进来发现这对探测器已经再次回到地球时，他都感觉自己多呆了一天。“这是太空中一个非常特殊的地点，我们这辈子，甚至可能是我们一生中，都不可能再回到这里了，”他说。“这些数据非常非常有价值。对我们来说，它们非常珍贵。它们让我们保持联系。”

很快——几个月，几年后——这种联系就会中断。旅行者一号或二号上的热量会减少到足以使燃料管线冻结，推进剂将无法再到达推进器，飞船将无法稍微调整飞行路线，无法将天线转向地球并打招呼。它的信息可能仍会在太空中传播，但我们无法捕捉和解密它们。项目经理多德在描述时实事求是：“你会失去信号。那就完了。”

旅行者二号的燃料耗尽之前，任务团队就开始为一段时间的断网做准备。由于飞船远离地球的轨道低于太阳系平面，因此只有澳大利亚的天线才能接收到信号。NASA 正在为天线配备镜子和光学传感器测试阵列，以期在即将推出的用光来补充无线电通信的举措中，该天线将近一年内无法发送信号。为了让探测器独自漂浮 10 个月，NASA 做出了一项战略牺牲：停止向旅行者二号及其无线电天线发送指令，以便让新一代飞船在旧探测器沉寂很久之后仍能打电话回家。

几十年来，NASA 一直在尝试以这种方式增强其网络——使用激光脉冲，它可以更快地向更小的耳朵传送成倍增加的数据。这样做有几个原因。首先，太空越来越拥挤，所有这些信号都扰乱了无线电通信，使深空网络的调度成为一项复杂而耗时的任务。其次，随着我们继续勘探火星等地方，我们需要在更短的时间内传输更多的视频。当 NASA 的小行星研究探测器 Psyche 于 2022 年发射时，它将是首批获得光学通信装置的探测器之一。

然而，光也有其局限性。例如，云可以弯曲和阻挡光，而无线电波则可以在大多数大气条件下自由穿行。相对而言，这些系统也相当便宜。“在太空中，质量总是要付出沉重的代价，”无线电科学家奥德希里说。他的工作所依赖的技术依赖于现有设备，所有这些设备自我们最早的太空探索以来就一直存在，从回声气球到阿波罗，再到今天。

通过无线电波进行深空通信永远不会消失，因为它简单易行。“人们经常想到用非常复杂的方法解决复杂的问题，”奥德希里说。“但解决方案往往可以在最简单的事情中找到：只要看看我们通过关注信号如何变化所学到的一切。”

事实证明，信息量相当大：月球的密度、土星环的年龄、太阳系的边界。信号及其噪声有助于我们了解我们在宇宙中的位置——地球这颗孤独的蓝色岩石周围的道路和天气。

这个故事最初发表在《大众科学》杂志的噪音部分。