帕克探測器：與太陽的“熾熱”約會

此次帕克與太陽約會之旅的最大意義在于，突破了過去天文學(xué)

只靠遠(yuǎn)距離觀察天體和宇宙的局限，

而是可以近距離用科學(xué)儀器進(jìn)行實驗和檢測等實證研究

文/張?zhí)锟?/p>

美國國家航空航天局(NASA)的帕克太陽探測器于美國東部時間8月12日凌晨3時31分，由美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的Delta-4重型火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空，開始進(jìn)行為期7年的追日之旅。此次探索，將是人造航天器首次最近距離抵達(dá)太陽的大氣層。

資料圖：帕克太陽探測器于6月27日首次安裝部署了尖端的熱保護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection System ），近日NASA揭示其首次安裝正式完成。 這一尖端科技的熱保護(hù)系統(tǒng)將保護(hù)帕克太陽探測器能夠在最近距太陽4百萬英里的距離，承受嚴(yán)苛的高溫和宇宙環(huán)境。圖為藝術(shù)家繪制的太陽探測器帕克飛往太陽。

三大任務(wù)

為何要探索太陽？這是所有人的疑問。

追逐和探索太陽不僅有千難萬阻，而且風(fēng)險特別大。帕克是一艘宇宙飛船，即航天器，造價15億美元，此次它的探訪太陽之旅要進(jìn)入太陽大氣層，但即便只是太陽表面，最低溫度也達(dá)到攝氏4500度，在此條件下，無論是肉身還是鋼筋鐵骨，還未進(jìn)入太陽大氣層，頃刻間就會化為灰燼。

所以，帕克不是觸摸太陽，更不是去親吻太陽，只不過是到太陽邊上觀望，而且有7年的漫長探測旅程。弄得不好，帕克也有可能被太陽的高溫吞噬。因此，這次人類的赴約注定不會浪漫和美艷，但卻非常有意義。

與太陽約會當(dāng)然要先了解太陽系中這個“老大哥”的現(xiàn)狀、外貌和內(nèi)涵，更要理解8大行星與這顆當(dāng)家恒星的關(guān)系；最重要的是，要了解這顆“老大哥”恒星對地球的影響，準(zhǔn)確地說，就是了解太陽如何作用和影響于地球上的人類和其他生物。

今天的人們并不滿足于地球萬物的生存只能依賴于陽光的照耀等常識，而是希望除了知道太陽的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)當(dāng)了解太陽的活動。現(xiàn)在，僅有關(guān)太陽活動方面就有許多關(guān)注的熱點，例如太陽黑子、太陽耀斑、太陽風(fēng)、日冕物質(zhì)拋射、太陽磁場、星際磁場、磁波與行星軌道、太陽周期、黑子周期和太陽磁場逆轉(zhuǎn)周期等。

太陽活動的這些熱點每一項都不僅影響地球與地球上的人和生物，也與銀河系和宇宙中的其他星球相互作用，從宏觀和微觀上或大或小或多或少地與人類的生活發(fā)生聯(lián)系。

值得一提的是，這是首個以健在的人物命名的太空任務(wù)?，F(xiàn)代太陽風(fēng)和磁重聯(lián)理論的奠基人、美國科學(xué)院院士尤金·帕克(Eugene Parker)于1958年首次預(yù)測太陽風(fēng)的存在。

按照NASA太陽物理研究所科學(xué)部門副主任阿力克謝?揚(Alex Young)的解釋，此次帕克探測器的任務(wù)主要有三個，一是探索太陽風(fēng)的速度，二是觀察太陽風(fēng)暴原理，三是了解日冕層的溫度為何如此高。這三項探索或研究是緊密聯(lián)系在一起的。而且，這些任務(wù)是建立在過去人們對太陽觀察和研究的礎(chǔ)之上的。

其中，探索太陽風(fēng)的速度就意義重大。太陽探測器帕克就是以美國已故天文學(xué)家、芝加哥大學(xué)教授尤金?帕克(Eugene Parker)的名字命名的。帕克在20世紀(jì)50年代提出了太陽風(fēng)理論，并預(yù)測帕克螺旋(Parker spiral)的存在。

2017年5月31日，在芝加哥大學(xué)舉辦的紀(jì)念帕克的會議中，NASA就宣布把太陽探測器+(Solar Probe Plus)的任務(wù)改命名為帕克太陽探測(Parker Solar Probe)。過去，人們初步了解到，太陽風(fēng)是由太陽“吹出”的粒子流，它的加熱加速與日冕的加熱問題聯(lián)系在一起是空間物理的重大課題之一。

盡管人們把預(yù)言太陽風(fēng)的存在歸功于帕克，但帕克本人并不如此認(rèn)為，因為他在1958年提出太陽風(fēng)概念以前，已經(jīng)有太陽風(fēng)存在的證據(jù)。

20世紀(jì)初，挪威科學(xué)家伯克蘭(Kristian Birkeland)就提出地球的極光是由來自太陽連續(xù)的粒子流引起，后來德國科學(xué)家比爾曼(Ludwig Biermann)對彗尾的逆太陽方向現(xiàn)象(無論彗星運動方向是朝向太陽還是遠(yuǎn)離太陽，其尾部總是指向遠(yuǎn)離太陽的方向)開展相關(guān)研究，推測是太陽吹出來的穩(wěn)定的粒子流壓迫彗尾產(chǎn)生了這個現(xiàn)象，而且粒子流沿著太陽徑向從各個方向流出，速度在500~1500千米/秒。比爾曼推測的這個速度直到今天都被認(rèn)為是比較靠譜的，但是還是需要帕克號太陽探測器的實證研究來證實。

后來，帕克的博士論文導(dǎo)師、加州理工大學(xué)教授戴維斯(Leverett Davis)又在1955年提出，是“太陽微粒輻射”把恒星際介質(zhì)推出去，在太陽周圍形成以太陽微粒為主的空間。所以，太陽風(fēng)在過去稱為太陽微粒，帕克的貢獻(xiàn)是，第一次提出太陽微粒是一種粒子流，是一種流體模型，并在1958年提出這一流體模型時，把它稱為太陽風(fēng)，這個術(shù)語和概念沿用至今。

與太陽風(fēng)密切相關(guān)的就是太陽風(fēng)暴，因為一般太陽風(fēng)的能量爆發(fā)來自于太陽耀斑或其他被稱為“太陽風(fēng)暴”的氣候現(xiàn)象。太陽風(fēng)暴是太陽大氣中發(fā)生的持續(xù)時間短暫、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象，主要通過增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等三種形式釋放。之后可以引發(fā)地球空間高能電子暴、熱等離子體注入、電離層暴、高層大氣密度增加等多種空間環(huán)境擾動事件，對衛(wèi)星運行、導(dǎo)航通信和地面系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的影響。

日冕是太陽大氣的最外層，厚度達(dá)到幾百萬千米以上。日冕層的溫度極高，可達(dá)100萬~200萬攝氏度。同時日冕上有冕洞，冕洞是太陽風(fēng)的風(fēng)源。所以，太陽風(fēng)、太陽風(fēng)暴和日冕層是密切相關(guān)的。

太陽是如此熾熱，任何對它有親近舉動的人和物體都會頃刻間被熱化，因為它的大氣層中最低溫度也可能達(dá)到4500攝氏度。那么，帕克太陽探測器如何才能接近太陽，或進(jìn)入太陽的大氣層？

據(jù)外媒報道，帕克太陽探測器價值15億美元，這將是人造航天器首次抵達(dá)恒星大氣層，“觸摸”太陽。

逐日七年

太陽的結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外分為核心、輻射區(qū)、對流層、光球?qū)?、色球?qū)印⑷彰釋?，后三層則構(gòu)成了太陽的大氣層。然而，太陽的高溫在大氣層中的分布并非依據(jù)從內(nèi)向外遞減的原則。太陽大氣的最低溫度攝氏4500度只不過是色球?qū)舆吘壍臏囟龋欢搅俗钔鈱拥娜彰釋拥牡讓舆吔?，溫度可達(dá)到攝氏100萬~200萬度。

因此，如果帕克太陽探測器要進(jìn)入太陽的大氣層，必須要經(jīng)受高溫“烤”驗。對此，NASA作了兩方面的設(shè)計。一是與太陽保持適當(dāng)?shù)木嚯x，二是帕克太陽探測器的耐熱設(shè)備和儀器。 為了避免太陽的高溫，探測器與太陽的距離一直在進(jìn)行理論調(diào)試和實際操作。

帕克并非是人類第一個與太陽約會的飛船，此前人類共發(fā)射了15個太陽探測器，最逼近太陽的是1976年德國發(fā)射的“太陽神2號”，距離太陽2700萬英里(約4345萬千米)。這次帕克的飛行軌道距離太陽更近，預(yù)計在2024年帕克飛行到離太陽最近，這時距太陽380萬英里(約611萬千米)，因此比以前最接近太陽的飛船還要近7倍，所以會遭遇更高更強的高溫和輻射。

為了應(yīng)對高溫的輻射，讓探測器上的儀器能正常工作，NASA研究人員進(jìn)行了精確計算和設(shè)計耐熱裝備。帕克進(jìn)入日冕后，面向太陽的那一面將僅升溫到約1400攝氏度，但是，帕克太陽探測器包裹了厚約11.45厘米的隔熱罩，由輕質(zhì)碳復(fù)合泡沫制成，表面涂有白色陶瓷涂料，可反射盡可能多的陽光，使探測器內(nèi)部的溫度可維持在30攝氏度左右。

此外，一些儀器也是耐高溫的，例如帕克探測器中的傳感器“法拉第杯”，用來測量太陽風(fēng)中離子和電子的相關(guān)數(shù)據(jù)?！胺ɡ诒庇摄f合金制成，熔點高達(dá)2349攝氏度，為它產(chǎn)生電場的芯片由鎢制成，熔點高達(dá)3422攝氏度，并且“法拉第杯”并沒有放置于隔熱罩后。同時，帕克的飛行角度由軟件控制，可確保隔熱罩后的儀器設(shè)備不會面向熱源，保持儀器在合適的溫度下工作。

另外，帕克探測器上還裝載有一些高溫保護(hù)機制，例如在隔熱罩陰影的邊緣安裝了多個傳感器，一旦某個傳感器探測到陽光，便會通知中央電腦，帕克探測器會馬上自動糾正姿勢，確保內(nèi)部儀器安全。

當(dāng)?shù)貢r間8月12日凌晨3點31分，“帕克”太陽探測器從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。

問題是，帕克號將是第一架飛經(jīng)太陽大氣層中的日冕層的飛船，日冕層的溫度更高，能否經(jīng)受住高溫“烤”驗，需要未來的進(jìn)行驗證。不過，NASA的解釋是，日冕溫度當(dāng)然特別高，但因為物質(zhì)密度低，可導(dǎo)熱粒子稀少，對航天器高溫影響并沒有想象中那么大，這相當(dāng)于人們將手放到了烤箱里面，但只要不接觸到任何一個表面，就不會被灼傷。帕克進(jìn)入日冕后，面向太陽的那一面也不過上升到約1400攝氏度，但是帕克的隔熱罩能有效地隔離太陽的高溫。

為了完成探索太陽風(fēng)的速度、觀察太陽風(fēng)暴原理和了解日冕層的溫度為何如此高，帕克搭載了幾種儀器，一是記錄太陽風(fēng)中粒子速度、密度和溫度等數(shù)據(jù)的“太陽風(fēng)電子、阿爾法射線和質(zhì)子探測器”(SWEAP)，其中就采用了法拉第杯來捕捉太陽風(fēng)中的帶電粒子。

二是測量日冕電場和磁場的FIELDS，是一臺太陽電磁場監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)μ柎髿鈱又械碾妶龊痛艌鲞M(jìn)行探測，以幫助科學(xué)家了解電磁場如何與組成太陽的等離子體物質(zhì)，以及太陽風(fēng)之間發(fā)生相互作用。

三是直接給太陽日冕拍照的廣角成像儀WISPR，它將拍攝沿途飛過區(qū)域的圖像，以幫助研究人員對其他設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像校準(zhǔn)，并對太陽耀斑爆發(fā)等進(jìn)行監(jiān)測；四是測量粒子能量及種類的“太陽整合科學(xué)探測儀”(ISIS)，可以幫助科學(xué)家揭開太陽風(fēng)加速的謎團(tuán)。

另外，為了讓帕克順利抵達(dá)太陽邊緣，NASA將帕克設(shè)計為人類有史以來飛行速度最快的航天器。帕克探測器需要抵抗地球太陽之間的引力，借用金星的引力，逐漸接近太陽。約翰?霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的帕克太陽探測器項目科學(xué)家尼科拉?福克斯(Nicola Fox)表示，帕克探測器將以時速43萬英里(約69萬千米)的速度穿越太陽外日冕層，是“移動速度最快的人造物體”，相當(dāng)于從華盛頓起飛，不到1分鐘的時間里就能到達(dá)東京。

帕克探測器預(yù)計于2018年10月份抵達(dá)金星軌道，探測器將在11月初啟動第一圈繞日飛行，地球上最快將于2018年12月收到第一批對日探測信息，帕克的第二圈飛行需要等到2019年5月，帕克探日任務(wù)預(yù)計2025年6月結(jié)束，在7年的逐日任務(wù)中，探測器將繞日飛行24圈。隨著帕克繞日飛行圈數(shù)增加，獲得的研究結(jié)果也會越多。

也許，經(jīng)過7年或要不了7年的探索，人們就會逐漸了解太陽風(fēng)形成和日冕物質(zhì)拋射、太陽風(fēng)中的粒子如何獲得加速度，以及為何日冕溫度遠(yuǎn)高于太陽表面的溫度之謎。當(dāng)這些問題有了答案之后，也就能幫助人們預(yù)測和防止太空風(fēng)暴干擾地球上的電網(wǎng)和通訊，以及預(yù)防太陽風(fēng)暴導(dǎo)致危險氣候等。

不過，此次帕克與太陽約會之旅的最大意義在于，突破了過去天文學(xué)只靠遠(yuǎn)距離觀察天體和宇宙的局限，而是可以近距離用科學(xué)儀器進(jìn)行實驗和檢測等實證研究。

《中國新聞周刊》2018年第31期

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[責(zé)任編輯：楊凡、楊婷婷]

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