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帕克探测器:与太阳的“炽热”约会

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(示意图)在太阳外环飞的帕克探测器。

  美国国家航空航天局(NASA)的帕克太阳探测器于美国东部时间8月12日凌晨3时31分,由美国联合发射联盟的Delta-4重型火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空,开始进行为期7年的追日之旅。此次探索,将是人造航天器首次最近距离抵达太阳的大气层。

三大任务


  為何要探索太阳?这是所有人的疑问。
  追逐和探索太阳不仅有千难万阻,而且风险特别大。帕克是一艘宇宙飞船,即航天器,造价15亿美元,此次它的探访太阳之旅要进入太阳大气层,但即便只是太阳表面,最低温度也达到摄氏4500度,在此条件下,无论是肉身还是钢筋铁骨,还未进入太阳大气层,顷刻间就会化为灰烬。
  所以,帕克不是触摸太阳,更不是去亲吻太阳,只不过是到太阳边上观望,而且有7年的漫长探测旅程。弄得不好,帕克也有可能被太阳的高温吞噬。因此,这次人类的赴约注定不会浪漫和美艳,但却非常有意义。
  与太阳约会当然要先了解太阳系中这个“老大哥”的现状、外貌和内涵,更要理解8大行星与这颗当家恒星的关系;最重要的是,要了解这颗“老大哥”恒星对地球的影响,准确地说,就是了解太阳如何作用和影响于地球上的人类和其他生物。
  今天的人们并不满足于地球万物的生存只能依赖于阳光的照耀等常识,而是希望除了知道太阳的结构外,还应当了解太阳的活动。现在,仅有关太阳活动方面就有许多关注的热点,例如太阳黑子、太阳耀斑、太阳风、日冕物质抛射、太阳磁场、星际磁场、磁波与行星轨道、太阳周期、黑子周期和太阳磁场逆转周期等。
  太阳活动的这些热点每一项都不仅影响地球与地球上的人和生物,也与银河系和宇宙中的其他星球相互作用,从宏观和微观上或大或小或多或少地与人类的生活发生联系。
  按照NASA太阳物理研究所科学部门副主任阿力克谢·扬(Alex Youg)的解释,此次帕克探测器的任务主要有三个,一是探索太阳风的速度,二是观察太阳风暴原理,三是了解日冕层的温度为何如此高。这三项探索或研究是紧密联系在一起的。而且,这些任务是建立在过去人们对太阳观察和研究的础之上的。
  其中,探索太阳风的速度就意义重大。太阳探测器帕克就是以美国已故天文学家、芝加哥大学教授尤金·帕克(Eugene Parker)的名字命名的。帕克在20世纪50年代提出了太阳风理论,并预测帕克螺旋(Parker spiral)的存在。
  2017年5月31日,在芝加哥大学举办的纪念帕克的会议中,NASA就宣布把太阳探测器+(Solar Probe Plus)的任务改命名为帕克太阳探测(Parker Solar Probe)。过去,人们初步了解到,太阳风是由太阳“吹出”的粒子流,它的加热加速与日冕的加热问题联系在一起是空间物理的重大课题之一。
  尽管人们把预言太阳风的存在归功于帕克,但帕克本人并不如此认为,因为他在1958年提出太阳风概念以前,已经有太阳风存在的证据。
  20世纪初,挪威科学家伯克兰(Kristian Birkeland)就提出地球的极光是由来自太阳连续的粒子流引起,后来德国科学家比尔曼(Ludwig Biermann)对彗尾的逆太阳方向现象(无论彗星运动方向是朝向太阳还是远离太阳,其尾部总是指向远离太阳的方向)开展相关研究,推测是太阳吹出来的稳定的粒子流压迫彗尾产生了这个现象,而且粒子流沿着太阳径向从各个方向流出,速度在500-1500千米/秒。比尔曼推测的这个速度直到今天都被认为是比较靠谱的,但是还是需要帕克号太阳探测器的实证研究来证实。
专家们检测待飞的帕克探测器。

  后来,帕克的博士论文导师、加州理工大学教授戴维斯(Leverctt Davis)又在1955年提出,是“太阳微粒辐射”把恒星际介质推出去,在太阳周围形成以太阳微粒为主的空间。所以,太阳风在过去称为太阳微粒,帕克的贡献是,第一次提出太阳微粒是一种粒子流,是一种流体模型,并在1958年提出这一流体模型时,把它称为太阳风,这个术语和概念沿用至今。
  与太阳风密切相关的就是太阳风暴,因为一般太阳风的能量爆发来自于太阳耀斑或其他被称为“太阳风暴”的气候现象。太阳风暴是太阳大气中发生的持续时间短暂、规模巨大的能量释放现象,主要通过增强的电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云等三种形式释放。之后可以引发地球空间高能电子暴、热等离子体注入、电离层暴、高层大气密度增加等多种空间环境扰动事件,对卫星运行、导航通信和地面系统产生一系列的影响。
  日冕是太阳大气的最外层,厚度达到几百万千米以上。日冕层的温度极高,可达100万-200万摄氏度。同时日冕上有冕洞,冕洞是太阳风的风源。所以,太阳风、太阳风暴和日冕层是密切相关的。
  太阳是如此炽热,任何对它有亲近举动的人和物体都会顷刻间被热化,因为它的大气层中最低温度也可能达到4500摄氏度。那么,帕克太阳探测器如何才能接近太阳,或进入太阳的大气层?

逐日七年


  太阳的结构从内向外分为核心、辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层,后三层则构成了太阳的大气层。然而,太阳的高温在大气层中的分布并非依据从内向外递减的原则。太阳大气的最低温度摄氏4500度只不过是色球层边缘的温度,然而到了最外层的日冕层的底层边界,温度可达到摄氏100万-200万度。
  因此,如果帕克太阳探测器要进入太阳的大气层,必须要经受高温“烤”验。对此,NASA作了两方面的设计。一是与太阳保持适当的距离,二是帕克太阳探测器的耐热设备和仪器。
  为了避免太阳的高温,探测器与太阳的距离一直在进行理论调试和实际操作。
  帕克并非是人类第一个与太阳约会的飞船,此前人类共发射了15个太阳探测器,最逼近太阳的是1976年德国发射的“太阳神2号”,距离太阳2700万英里(约4345万千米)。这次帕克的飞行轨道距离太阳更近,预计在2024年帕克飞行到离太阳最近,这时距太阳380万英里(约611万千米),因此比以前最接近太阳的飞船还要近7倍,所以会遭遇更高更强的高温和辐射。
  为了应对高温的辐射,让探测器上的仪器能正常工作,NASA研究人员进行了精确计算和设计耐热装备。帕克进入日冕后,面向太阳的那一面将仅升温到约1400.摄氏度,但是,帕克太阳探测器包裹了厚约11.45厘米的隔热罩,由轻质碳复合泡沫制成,表面涂有白色陶瓷涂料,可反射尽可能多的阳光,使探测器内部的温度可维持在30摄氏度左右。
  此外,一些仪器也是耐高温的,例如帕克探测器中的传感器“法拉第杯”,用来测量太阳风中离子和电子的相关数据。“法拉第杯”由钼合金制成,熔点高达2349摄氏度,为它产生电场的芯片由钨制成,熔点高达3422摄氏度,并且“法拉第杯”并没有放置于隔热罩后。同时,帕克的飞行角度由软件控制,可确保隔热罩后的仪器设备不会面向热源,保持仪器在合适的温度下工作。
  另外,帕克探测器上还装载有一些高温保护机制,例如在隔热罩阴影的边缘安装了多个传感器,一旦某个传感器探测到阳光,便会通知中央电脑,帕克探测器会马上自动纠正姿势,确保内部仪器安全。
  问题是,帕克号将是第一架飞经太阳大气层中的日冕层的飞船,日冕层的温度更高,能否经受住高温“烤”验,需要未来的进行验证。不过,NASA的解释是,日冕温度当然特别高,但因为物质密度低,可导热粒子稀少,对航天器高温影响并没有想象中那么火,这相当于人们将手放到了烤箱里面,但只要不接触到任何一个表面,就不会被灼伤。帕克进入日冕后,面向太阳的那一面也不过上升到约1400摄氏度,但是帕克的隔热罩能有效地隔离太阳的高温。
  为了完成探索太阳风的速度、观察太阳风暴原理和了解日冕层的温度为何如此高,帕克搭载了几种仪器,一是记录太阳风中粒子速度、密度和温度等数据的“太阳风电子、阿尔法射线和质子探测器”(SWEAP),其中就采用了法拉第杯来捕捉太阳风中的带电粒子。
  二是测量日冕电场和磁场的FIELDS,是一台太阳电磁场监测设备,能够对太阳大气层中的电场和磁场进行探测,以帮助科学家了解电磁场如何与组成太阳的等离子体物质,以及太阳风之间发生相互作用。
  三是直接给太阳日冕拍照的广角成像仪WISPR,它将拍摄沿途飞过区域的图像,以帮助研究人员对其他设备获得的数据进行图像校准,并对太阳耀斑爆发等进行监测;四是测量粒子能量及种类的“太阳整合科学探测仪”(ISIS),可以帮助科学家揭开太阳风加速的谜团。
  另外,为了让帕克顺利抵达太阳边缘,NASA将帕克设计为人类有史以来飞行速度最快的航天器。帕克探测器需要抵抗地球太阳之间的引力,借用金星的引力,逐渐接近太阳。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的帕克太阳探测器项目科学家尼科拉·福克斯(Nicola Fox)表示,帕克探測器将以时速43万英里(约69万千米)的速度穿越太阳外日冕层,是“移动速度最快的人造物体”,相当于从华盛顿起飞,不到1分钟的时间里就能到达东京。
  帕克探测器预计于2018年10月份抵达金星轨道,探测器将在11月初启动第一圈绕日飞行,地球上最快将于2018年12月收到第一批对日探测信息,帕克的第二圈飞行需要等到2019年5月,帕克探日任务预计2025年6月结束,在7年的逐日任务中,探测器将绕日飞行24圈。随着帕克绕日飞行圈数增加,获得的研究结果也会越多。
  也许,经过7年或要不了7年的探索,人们就会逐渐了解太阳风形成和日冕物质抛射、太阳风中的粒子如何获得加速度,以及为何日冕温度远高于太阳表面的温度之谜。当这些问题有了答案之后,也就能帮助人们预测和防止太空风暴干扰地球上的电网和通讯,以及预防太阳风暴导致危险气候等。
  不过,此次帕克与太阳约会之旅的最大意义在于,突破了过去天文学只靠远距离观察天体和宇宙的局限,而是可以近距离用科学仪器进行实验和检测等实证研究。

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