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帕克探測器:逐日七年 與太陽的一場“熾熱”約會

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發表於 2018-8-20 10:25:51 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源:新浪科技


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於,突破了過去天文學只靠遠距離觀察天體和宇宙的局限,而是可以近距離用科學儀器進行實驗和檢測等實證研究
  文/張田勘
  美國國家航空航天局(NASA)的帕克太陽探測器於美國東部時間8月12日凌晨3時31分,由美國聯合發射聯盟的Delta-4重型火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發射升空,開始進行為期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太陽的大氣層。
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資料圖:帕克太陽探測器於6月27日首次安裝部署了尖端的熱保護系統(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系統將保護帕克太陽探測器能夠在最近距太陽4百萬英里的距離,承受嚴苛的高溫和宇宙環境。圖為藝術家繪制的太陽探測器帕克飛往太陽。
  三大任務
  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入太陽大氣層,但即便只是太陽表面,最低溫度也達到攝氏4500度,在此條件下,無論是肉身還是鋼筋鐵骨,還未進入太陽大氣層,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,這次人類的赴約註定不會浪漫和美艷,但卻非常有意義。
  與太陽約會當然要先了解太陽系中這個“老大哥”的現狀、外貌和內涵,更要理解8大行星與這顆當家恆星的關系;最重要的是,要了解這顆“老大哥”恆星對地球的影響,准確地說,就是了解太陽如何作用和影響於地球上的人類和其他生物。
  今天的人們並不滿足於地球萬物的生存只能依賴於陽光的照耀等常識,而是希望除了知道太陽的結構外,還應當了解太陽的活動。現在,僅有關太陽活動方面就有許多關注的熱點,例如太陽黑子、太陽耀斑、太陽風、日冕物質拋射、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生聯系。
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值得一提的是,這是首個以健在的人物命名的太空任務。現代太陽風和磁重聯理論的奠基人、美國科學院院士尤金・帕克(Eugene Parker)於1958年首次預測太陽風的存在。
  按照NASA太陽物理研究所科學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主要有三個,一是探索太陽風的速度,二是觀察太陽風暴原理,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系在一起的。而且,這些任務是建立在過去人們對太陽觀察和研究的礎之上的。
  其中,探索太陽風的速度就意義重大。太陽探測器帕克就是以美國已故天文學家、芝加哥大學教授尤金•帕克(Eugene Parker)的名字命名的。帕克在20世紀50年代提出了太陽風理論,並預測帕克螺旋(Parker spiral)的存在。
  2017年5月31日,在芝加哥大學舉辦的紀念帕克的會議中,NASA就宣布把太陽探測器+(Solar Probe Plus)的任務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系在一起是空間物理的重大課題之一。
  盡管人們把預言太陽風的存在歸功於帕克,但帕克本人並不如此認為,因為他在1958年提出太陽風概念以前,已經有太陽風存在的證據。
  20世紀初,挪威科學家伯克蘭(Kristian Birkeland)就提出地球的極光是由來自太陽連續的粒子流引起,後來德國科學家比爾曼(Ludwig Biermann)對彗尾的逆太陽方向現象(無論彗星運動方向是朝向太陽還是遠離太陽,其尾部總是指向遠離太陽的方向)開展相關研究,推測是太陽吹出來的穩定的粒子流壓迫彗尾產生了這個現象,而且粒子流沿着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。
  後來,帕克的博士論文導師、加州理工大學教授戴維斯(Leverett Davis)又在1955年提出,是“太陽微粒輻射”把恆星際介質推出去,在太陽周圍形成以太陽微粒為主的空間。所以,太陽風在過去稱為太陽微粒,帕克的貢獻是,第一次提出太陽微粒是一種粒子流,是一種流體模型,並在1958年提出這一流體模型時,把它稱為太陽風,這個術語和概念沿用至今。
  與太陽風密切相關的就是太陽風暴,因為一般太陽風的能量爆發來自於太陽耀斑或其他被稱為“太陽風暴”的氣候現象。太陽風暴是太陽大氣中發生的持續時間短暫、規模巨大的能量釋放現象,主要通過增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體雲等三種形式釋放。之後可以引發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境擾動事件,對衛星運行、導航通信和地面系統產生一系列的影響。
  日冕是太陽大氣的最外層,厚度達到幾百萬千米以上。日冕層的溫度極高,可達100萬~200萬攝氏度。同時日冕上有冕洞,冕洞是太陽風的風源。所以,太陽風、太陽風暴和日冕層是密切相關的。
  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到4500攝氏度。那麼,帕克太陽探測器如何才能接近太陽,或進入太陽的大氣層?
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據外媒報道,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恆星大氣層,“觸摸”太陽。
  逐日七年
  太陽的結構從內向外分為核心、輻射區、對流層、光球層、色球層、日冕層,後三層則構成了太陽的大氣層。然而,太陽的高溫在大氣層中的分布並非依據從內向外遞減的原則。太陽大氣的最低溫度攝氏4500度只不過是色球層邊緣的溫度,然而到了最外層的日冕層的底層邊界,溫度可達到攝氏100萬~200萬度。
  因此,如果帕克太陽探測器要進入太陽的大氣層,必須要經受高溫“烤”驗。對此,NASA作了兩方面的設計。一是與太陽保持適當的距離,二是帕克太陽探測器的耐熱設備和儀器。 為了避免太陽的高溫,探測器與太陽的距離一直在進行理論調試和實際操作。
  帕克並非是人類第一個與太陽約會的飛船,此前人類共發射了15個太陽探測器,最逼近太陽的是1976年德國發射的“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研究人員進行了精確計算和設計耐熱裝備。帕克進入日冕後,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,由輕質碳復合泡沫製成,表面塗有白色陶瓷塗料,可反射盡可能多的陽光,使探測器內部的溫度可維持在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”,用來測量太陽風中離子和電子的相關數據。“法拉第杯”由鉬合金製成,熔點高達2349攝氏度,為它產生電場的芯片由鎢製成,熔點高達3422攝氏度,並且“法拉第杯”並沒有放置於隔熱罩後。同時,帕克的飛行角度由軟件控制,可確保隔熱罩後的儀器設備不會面向熱源,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,確保內部儀器安全。
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當地時間8月12日凌晨3點31分,“帕克”太陽探測器從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。
  問題是,帕克號將是第一架飛經太陽大氣層中的日冕層的飛船,日冕層的溫度更高,能否經受住高溫“烤”驗,需要未來的進行驗證。不過,NASA的解釋是,日冕溫度當然特別高,但因為物質密度低,可導熱粒子稀少,對航天器高溫影響並沒有想象中那麼大,這相當於人們將手放到了烤箱裡面,但只要不接觸到任何一個表面,就不會被灼傷。帕克進入日冕後,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的速度、觀察太陽風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,一是記錄太陽風中粒子速度、密度和溫度等數據的“太陽風電子、阿爾法射線和質子探測器”(SWEAP),其中就採用了法拉第杯來捕捉太陽風中的帶電粒子。
  二是測量日冕電場和磁場的FIELDS,是一台太陽電磁場監測設備,能夠對太陽大氣層中的電場和磁場進行探測,以幫助科學家了解電磁場如何與組成太陽的等離子體物質,以及太陽風之間發生相互作用。
  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域的圖像,以幫助研究人員對其他設備獲得的數據進行圖像校準,並對太陽耀斑爆發等進行監測;四是測量粒子能量及種類的“太陽整合科學探測儀”(ISIS),可以幫助科學家揭開太陽風加速的謎團。
  另外,為了讓帕克順利抵達太陽邊緣,NASA將帕克設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•霍普金斯大學應用物理實驗室的帕克太陽探測器項目科學家尼科拉•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”,相當於從華盛頓起飛,不到1分鍾的時間里就能到達東京。
  帕克探測器預計於2018年10月份抵達金星軌道,探測器將在11月初啟動第一圈繞日飛行,地球上最快將於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,帕克探日任務預計2025年6月結束,在7年的逐日任務中,探測器將繞日飛行24圈。隨着帕克繞日飛行圈數增加,獲得的研究結果也會越多。
  也許,經過7年或要不了7年的探索,人們就會逐漸了解太陽風形成和日冕物質拋射、太陽風中的粒子如何獲得加速度,以及為何日冕溫度遠高於太陽表面的溫度之謎。當這些問題有了答案之後,也就能幫助人們預測和防止太空風暴干擾地球上的電網和通訊,以及預防太陽風暴導致危險氣候等。
  不過,此次帕克與太陽約會之旅的最大意義在於,突破了過去天文學只靠遠距離觀察天體和宇宙的局限,而是可以近距離用科學儀器進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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