Milliarder og atter milliarder af kilometer væk fra os på Jorden flyver de to rumsonder Voyager 1 og Voyager 2 rundt blandt stjernerne i Mælkevejens kolde, mørke interstellare rum.
Her har de gennem næsten 50 år formået at sende billeder og data om magnetfelter, elektrontæthed og kosmisk stråling tilbage til os på Jorden.
Det har fået vores læser Mogens til at undre sig, og derfor skrev han til vores læserbrevkasse ‘Spørg Videnskaben’ med sit spørgsmål, som lyder:
»Jeg kiggede på jeres fine indlæg om Voyager 1 og 2. Det gjorde mig nysgerrig på, hvordan man kan modtage data fra Voyager 1 og 2, som er udenfor vores solsystem. Hvordan foregår datatransmissionen, hvor lang tid tager det fra data bliver sendt, og til det bliver modtaget?«
\ Har du et spørgsmål til videnskaben?
Med vores brevkasse Spørg Videnskaben kan du stille spørgsmål til forskerne om alt fra prutter og sjove bynavne til kvantecomputere og livets oprindelse.
Vi vælger de bedste spørgsmål og kvitterer med en Videnskab.dk-T-shirt.
Du kan spørge om alt – men vi elsker især de lidt skøre spørgsmål, der er opstået på baggrund af en nysgerrig undren.
Send dit spørgsmål via mail til sv@videnskab.dk eller via kontaktformularen på Spørg Videnskaben-siden.
Mogens' spørgsmål har fået flest stemmer i vores læserafstemning, og derfor har Spørg Videnskaben fluks taget de gode spørgsmål med videre til Peter Laursen. Han er både astrofysiker ved Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet og redaktør samt videnskabsformidler for instituttets egen brevkasse.
Formålet med Voyager 1 og 2
Inden vi dykker ned i svarene, kan Peter Laursen hjælpe os med en lille opsummering af, hvad Voyager 1 og 2 overhovedet er.
Da Voyager 1 og 2 i 1977 blev sendt op med få ugers mellemrum, var begge rumsonder fyldt med 100 kilo brændstof og udstyret med måleinstrumenter, kameraer, antenner og en plutoniumdioxid-celle, der kunne forsyne instrumenterne med strøm via en generator.
Det primære formål med rumsonderne var at undersøge planeterne Jupiter og Saturn.
»Så var idéen, at man eventuelt kunne sende en af dem videre til Uranus og Neptun. Jupiter og Saturn var før blevet besøgt af rumsonder i starten af 1970’erne, men Uranus og Neptun havde vi aldrig været ude ved før,« fortæller Peter Laursen.
\ Historien om Voyager 1 og Voyager 2
Selvom det er nærliggende at tro, at Voyager 1 var den første, så blev Voyager 2 faktisk opsendt før Voyager 1.
Det skete 20. august 1977, hvorefter Voyager 1 blev opsendt 5. september 1977.
Målet var at undersøge Jupiter og Saturn, og hvis det kunne lade sig gøre, skulle en af dem sendes til Uranus og Neptun.
Her skulle de undersøge planeternes atmosfære, Saturns ringe og planeternes magnetfelter og måner.
Men når rumsonderne nærmede sig planeterne, kunne planeternes tyngdekraft bruges til at slynge rumsonderne afsted med meget høj fart. Det kaldes et ‘gravitational slingshot’ på engelsk.
Derfor valgte man, at Voyager 1 skulle flyve tæt forbi Titan – Saturns største måne – mens Voyager 2 blev omdirigeret og sendt mod Uranus og Neptun, hvor den nåede frem i slutningen af 1980’erne.
Efter idé fra astronom og videnskabsformidler Carl Sagan har begge rumsonder en guldplade med informationer om Jorden med sig, hvis de skulle havne i hænderne på en anden livsform ude i rummet – altså potentielle aliens.
På guldpladerne er der indgraveret instruktioner i, hvordan man får adgang til informationen, der omfatter menneskelyde, billeder, musik, tegninger af dyr og mennesker, fotografier af Jorden set udefra samt Newtons bog om tyngdekraft.
Grunden til, at der blev sendt to rumsonder af sted, var for det første for en sikkerheds skyld, da man ikke før havde prøvet at sende noget så langt ud før.
Men det gav desuden også mulighed for både at besøge både Saturns måne Titan, som har en atmosfære, hvor der er mulighed for liv, og samtidig besøge Uranus og Neptun.
Voyager 1 og 2 startede med at flyve i samme retning. Men fordi Voyager 1 fløj forbi Saturns måne Titan, blev den slynget ud af kurs i forhold til Voyager 2, hvorefter de fløj i forskellige retninger.
Begge er de dog fløjet ud af vores solsystem og befinder sig nu i Mælkevejens interstellare rum.
»Voyager 1 nåede ud af vores solsystem i 2012, mens Voyager 2 nåede det i 2018,« fortæller astrofysikeren og uddyber:
»Voyager 1 er 25 milliarder kilometer fra Jorden, mens Voyager 2 er 21 milliarder kilometer væk.«
Sådan sender Voyager 1 og 2 data hjem til Jorden
Og nu til svarene på Mogens' spørgsmål om, hvordan det foregår, når rumsonderne sender data til os på Jorden:
Voyager 1 og 2 er udstyret med såkaldte 'high-gain'-antenner, der formår at fokusere radiobølger i retning af Jorden.
Men fordi de to rumsonder kommer længere og længere væk, falder styrken af signalet hurtigt.
For at det ikke skal drukne i støj, er man nødt til at sænke bitraten – altså den hastighed, data sendes i – og dermed også mængde af information, de kan sende.
»Da de var ved Jupiter, kunne de sende over 100.000 bits i sekundet. Ved Saturn var det faldet til cirka det halve. Nu er de helt nede på 160 bits i sekundet,« forklarer Peter Laursen.
»Det svarer nogenlunde til 1-2 megabyte i døgnet, som de så sender mere eller mindre kontinuerligt afsted i små pakker.«
For at sætte det i perspektiv er 1-2 megabytes ikke ret meget - et foto taget med en smartphone i høj opløsning fylder typisk 2–5 megabytes (eller mere). Af den grund er flere af Voyagernes instrumenter – såsom kameraer – blevet slukket, og der sendes nu primært data hjem til Jorden om kosmisk stråling, magnetfelter og elektrontæthed.
Når de to rumsonder så sender data af sted med deres målrettede antenner, modtager vi det på Jorden med noget, NASA kalder for ‘Deep Space Network’.
»Det er to kæmpeantenner, der står og lytter efter de her ultrasvage signaler fra Voyager 1 og 2,« fortæller astrofysikeren.
»Og det er også de antenner, man bruger til at sende data tilbage til dem, som vi ikke gør så tit.«
Artiklen fortsætter under afstemningen
Så lang tid tager det for informationen at nå frem
Fordi de to rumsonder er så langt væk, tager det næsten et døgn for lyset at nå fra rumsonderne til Jorden.
Mere præcist tager det lyset 23,5 timer at komme fra Voyager 1 til Jorden, mens det ‘kun’ tager lyset 19,5 timer at nå fra Voyager 2 til Jorden.
\ Sådan sender Voyagerne – helt lavpraktisk – data til Jorden
Selvom astrofysiker Peter Laursen ikke er ekspert i radiokommunikation, har han alligevel en del viden om, hvordan Voyagerne sender data til Jorden. Hold tungen lige i munden, for nu bliver det lidt teknisk:
»Dataene kommer i binære koder, altså en sekvens af 0'er og 1'er, sendt i 32 bit-format. Så en 'streng af data', der består af 32 0'er og 1'er, giver altså 2³² – eller godt 4 milliarder – mulige kombinationer. Med disse kombinationer kan de 32 bits bruges til at sende for eksempel et heltal mellem ca. –2 mia. og + 2mia., eller fire bogstaver, eller et kommatal, eller andet,« fortæller han.
»0'er og 1'er kan man sende på forskellige måder med radiosignaler. Grundlæggende skal man have en måde at ændre – eller 'modulere' – signalet frem og tilbage mellem to forskellige tilstande, og modtageren skal så vide, hvilken måde der er brugt. Mest kendt er nok at ændre frekvensen (frekvensmodulation, FM. Det vil sige 'tonen') eller at ændre amplituden (amplitudemodulation, AM. Det vil sige lydstyrken).«
»Voyagererne bruger en tredje metode, nemlig fasemodulation (PM), hvor tone og lydstyrke holdes konstant, men signalet — som jo er en bølge — forskydes en halv bølgelængde frem og tilbage. Denne metode er optimal til meget svage signaler, som det jo er, når man skal lytte efter et signal sendt afsted med 20 W, milliarder af kilometer væk,« afslutter astrofysikeren.
Forskellen på de forskellige radiosignaler er, ifølge Peter Laursen, følgende:
- AM er let at generere og afkode, men er meget sensitivt over for støj, fordi det meste naturlig støj, som statisk elektricitet, lyn og og radiobølger fra universet, også ændrer amplitude. Derfor bruges denne metode mest i billige radioer.
- FM er mere robust mod statisk elektricitet, hvilket er grunden til, at vi hører radio på FM. Men fordi man ændrer på frekvensen, er man så også nødt til at ‘lægge beslag på’ et større frekvensområde og dermed bruge større båndbredde.
- PM er meget robust overfor amplitudestøj og derfor godt til svage signaler. At lytte til Voyager svarer i princippet til at se en 20 W-lyspære på milliarder af kilometers afstand. Der er også noget med, at man i princippet kan have flere bits pr. bølge (fordi man kan have flere faser oven i hinanden), men her er vi ret langt fra min komfortzone. Det er mere komplekst at bygge disse sendere og modtagere og var en udfordring i 1970'erne, men NASA satsede alligevel på det.
Og fordi Voyager 1 og 2 sender data til Jorden via radiobølger, sker det altså med samme hastighed, da radiobølger »bare er lys med en meget lang bølgelængde,« som Peter Laursen fortæller.
»Så det tager et lille døgns tid per vej,« forklarer han.
Alting har en ende
Med snart 50 års arbejde bag sig er det forventeligt, at Voyager 1 og 2 snart rammer den teknologiske pensionsalder og stopper med at indsamle og sende data tilbage til os på Jorden.
For de 100 kilo brændstof, der giver energi til de små raketdyser, og plutoniumdioxid-cellerne, der giver instrumenterne strøm, er ved at være opbrugte.
»Da de blev sendt op, kunne generatorerne lave 470 watt (470 watt svarer til omkring 50–60 tændte LED-pærer, red.), og de har en halveringstid på 87,7 år. Men den omformer, der laver varmen til elektricitet, bliver også mere og mere ineffektiv,« fortæller Peter Laursen.
I 2011 var generatorens effekt cirka halveret fra den oprindelige produktion på 470 watt, men de burde i hvert fald kunne holde et år endnu, og måske helt ind til 2030, hvis alt går godt.
»De kan altså lidt endnu, men ikke så længe igen,« afslutter astrofysikeren.
Så der var svaret:
Voyager sender data gennem deres retnings-fokuserede antenner, der modtages af NASA’s Deep Space Network. Og fordi Voyager 1 og 2 befinder sig næsten et lysdøgn væk fra Jorden, tager det næsten et døgn for data at komme fra Voyager 1 og 2 og til Jorden. Men vi skal nok ikke regne med, at vi kan benytte os af Voyager 1 og 2 i lang tid endnu.
Vi siger tak til Peter Laursen for at hjælpe med at besvare spørgsmålet. Og tak til Mogens for det gode spørgsmål. Der er en Videnskab.dk-T-shirt på vej til dig.
Og hvis du selv sidder med et godt spørgsmål, som Spørg Videnskaben skal kaste sig over, så skriv til sv@videnskab.dk eller via formularen videnskab.dk/sv.
Rettelse: Tidligere i artiklen fremgik det, at Voyager 1 var 38 astronomiske enheder væk fra Jorden. Det er ikke korrekt, og er derfor fjernet fra artiklen.
