沖向太陽的探測器

苗千

在升空8天之后，帕克太陽探測器在2018年8月20日啟動了自身的引擎。這次“近乎完美”的長達(dá)7分鐘的第一階段軌道修正操作（TCM-1）至關(guān)重要，探測器通過引擎提供的動力修正了自己的軌道，然后義無反顧地向太陽飛去。

為了擺脫地球重力的影響，想要把這個600多公斤重、一輛小汽車大小的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）送上軌道，需要比發(fā)射火星探測器多出55倍的發(fā)射能量。雖然發(fā)射數(shù)次被推遲，帕克太陽探測器仍在2018年8月12日由一架巨大的德爾塔-4重型運(yùn)載火箭（Delta-IV Heavy Rocket）送上了天空。這個讓科學(xué)家們花費(fèi)了數(shù)十年，耗資15億美元的科學(xué)項(xiàng)目終于進(jìn)入了一個全新的階段。

與人類此前絕大多數(shù)的太空探測項(xiàng)目不同，帕克太陽探測器的目標(biāo)是距離地球最近的恒星——太陽。這也是美國航空航天局（NASA）“與日共存”（Living With a Star Program）科學(xué)項(xiàng)目的一部分，近距離探測太陽的活動，試圖理解恒星的運(yùn)行機(jī)制，以及它可能對人類社會造成的各種影響。

“讓我們看看那里都有什么”

觀看帕克探測器升上天空的人群中有一個特殊的老人，他就是著名的天體物理學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker），正是他在大約60年前首先提出了“太陽風(fēng)”（Solar Wind）的概念以解釋太陽的一系列謎團(tuán)。如今發(fā)射的探測器正是以他的名字命名，這也是美國航空航天局首次以一位在世的科學(xué)家命名航天器。帕克在1958年第一次提出了直接探測太陽風(fēng)的設(shè)想，并留下了一句名言：“讓我們看看那里都有什么。”（Lets see what lies ahead.）這句話如今被刻在了帕克太陽探測器的一個銘牌上奔向太陽。

美國天體物理學(xué)家尤金·帕克

在太空中，調(diào)整了航向的帕克太陽探測器正在以超過每小時6.1萬公里的速度向太陽前進(jìn)，而且它還將不斷加速，最終會達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的相對于太陽每小時70萬公里的速度，這也將創(chuàng)造人類制造的飛行器的速度紀(jì)錄。除了速度之外，帕克探測器還將創(chuàng)下距離太陽最近的人類探測器的新紀(jì)錄。此前，德國和NASA聯(lián)合研制的“太陽神2號”探測器（Helios 2 Spacecraft）曾經(jīng)在1976年創(chuàng)下了距離太陽4300萬公里的紀(jì)錄。順利的話，帕克探測器將把這個紀(jì)錄一舉提高7倍。它將在2024年抵達(dá)距離太陽只有610萬公里的近日點(diǎn)（地球與太陽的平均距離大約為1.5億公里）。

按照計劃，帕克探測器會在2018年10月3日第一次飛臨金星，并且利用金星的引力場進(jìn)行減速和調(diào)整航向，為它在2018年11月5日第一次到達(dá)距離太陽1500萬公里的近日點(diǎn)，并且在接下來的12月開始向地球發(fā)送探測數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。這將僅僅是一個為期7年的太陽探測項(xiàng)目的開頭。按照計劃，帕克太陽探測器將會7次飛臨金星，利用其重力場調(diào)整航向，并且24次圍繞著太陽進(jìn)行探測，每一次它都會探測太陽大氣層一個完全不同的區(qū)域，為地球發(fā)送各種探測數(shù)據(jù)和照片。這將是解開困擾了人類上百年的有關(guān)太陽的各種科學(xué)難題至關(guān)重要的一步，必將為人類對太陽的理解帶來革命性的影響。

對一個臨近的天體發(fā)射探測器進(jìn)行近距離探測，聽上去順理成章，但是相比于其他天體，對太陽進(jìn)行近距離探測的困難顯而易見——這個距離地球最近的，也是人類唯一有可能探測的恒星無時無刻不在釋放巨大的能量，不加防范地妄圖接近只會被燒成灰燼。正因?yàn)槿绱?，這次耗費(fèi)了科學(xué)家們數(shù)十年努力的科學(xué)探測，為了能使探測器盡量接近太陽，保護(hù)它最大限度地不受太陽熱量的干擾而正常工作，是最需要解決的工程問題。這個項(xiàng)目得以順利進(jìn)行，正是依賴了人類多年來在熱工學(xué)領(lǐng)域研究的進(jìn)步。

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為探測器設(shè)計了一套熱保護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection System），使它能夠在極端條件下工作。探測器需要在幾十萬攝氏度的環(huán)境中進(jìn)行工作，這之所以能實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)殡m然在這個區(qū)域的溫度極高，但是因?yàn)樘栂祪?nèi)的空間物質(zhì)密度極低，能夠向探測器的熱保護(hù)系統(tǒng)傳遞能量的高能粒子的數(shù)量并不太多。根據(jù)科學(xué)家的計算，在幾十萬攝氏度的環(huán)境中航行，探測器朝向太陽一面的溫度大約會達(dá)到1400攝氏度。這樣的溫度對于一個精密的科學(xué)探測器來說仍然極其危險，而在一個直徑大約2.4米、厚11.5厘米的熱盾的保護(hù)下，探測器自身則可以維持在30攝氏度左右正常工作。

為了最大限度地隔絕熱量的傳遞，這個只有60多公斤重的熱保護(hù)系統(tǒng)使用了先進(jìn)的碳復(fù)合材料，組成一個三明治式的結(jié)構(gòu)，在中間夾著一層幾乎中空的11厘米厚的碳泡沫材料，以隔絕熱量的傳遞。在這個三層碳復(fù)合材料構(gòu)成的絕熱結(jié)構(gòu)之外，設(shè)計者還在它沖著太陽的外側(cè)添加了一層白色的陶瓷涂層，以求最大限度地反射太陽熱量。在測試過程中，這個熱保護(hù)系統(tǒng)可以承受1600攝氏度以上的高溫，足以保障探測器的正常運(yùn)行。

問題在于，并不是帕克探測器的所有科學(xué)儀器都會躲在熱盾的后邊工作。它用來收集來自太陽風(fēng)的各種粒子樣本的儀器在工作時就需要伸出熱盾之外，它還需要在高溫環(huán)境中能夠測量和讀取太陽風(fēng)中電子和離子的流量和飛行角度，這需要特殊的材料和設(shè)計。這一部分的探測設(shè)備由鉬鋯鈦合金材料制成，這種特殊材料的熔點(diǎn)可以達(dá)到2300攝氏度以上。除此之外，熱保護(hù)系統(tǒng)還使用了大約37升的去離子水用作冷卻劑。這套復(fù)雜的系統(tǒng)將會在未來幾年里接受太陽的考驗(yàn)。

日冕熱量之謎

為什么要探測太陽？實(shí)在是因?yàn)樘枌τ谌祟悂碚f太過重要。生活在地球上的人類所獲得的能源，歸根結(jié)底都是來自太陽的輸送，生命離不開陽光普照。在此之外，現(xiàn)代生活又經(jīng)常會受到太陽的干擾?！疤栵L(fēng)”的爆發(fā)會產(chǎn)生出大量高能粒子，這些粒子通過日冕的加速可以達(dá)到光速的一半，“吹遍”整個太陽系，對地球產(chǎn)生影響。

太陽活動劇烈的時候，這些高能粒子會以每秒幾百公里的速度掠過地球，有可能影響地球的磁場，并且嚴(yán)重干擾人造衛(wèi)星的工作，威脅宇航員的生命安全。想要掌握太陽的活動規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測太陽系內(nèi)的天氣變化情況，保障人造衛(wèi)星的運(yùn)行和宇航員的安全，除了設(shè)計各種模型，進(jìn)行理論計算之外，最重要的就是能夠利用人類的探測器接近太陽，進(jìn)行實(shí)地探測。

除了實(shí)際生活的需要，對太陽進(jìn)行科學(xué)探測對于人類宇宙學(xué)的發(fā)展也有著至關(guān)重要的意義。在可預(yù)見的未來里，太陽都會是人類唯一有可能進(jìn)行實(shí)際探測的恒星。理解太陽的結(jié)構(gòu)，有助于人類理解恒星的活動規(guī)律，加深對整個宇宙的理解。除此之外，對于太陽本身，尤其是對于日冕部分，人類還有很多持續(xù)多年的困惑，帕克太陽探測器的工作有可能幫助人類一舉解決這些難題。

帕克太陽探測器（想象圖）

在太陽的外層，所謂的日冕區(qū)域?yàn)槭裁磿_(dá)到這么高的溫度，其能量從何而來，一直是一個科學(xué)謎團(tuán)。太陽的大氣層（日冕）要比其表面溫度高出很多。在日冕外層，溫度可以超過100萬攝氏度，而向內(nèi)1600公里到達(dá)太陽的表面，溫度則只剛剛超過5000攝氏度。如何解釋太陽外層不同區(qū)域之間相差了幾百倍的溫差，是天文學(xué)多年來最大的謎團(tuán)之一，這被稱為“日冕熱量之謎”。

因?yàn)樘栠^于耀眼，就連發(fā)現(xiàn)關(guān)于它的難題都不是一件容易的事情。在擁有各種高精度的觀測儀器之前，人類大多只能在發(fā)生日全食的時候?qū)μ栠M(jìn)行觀測。當(dāng)月亮恰好擋住太陽中間的主體部分，人類就可以借機(jī)觀測其周邊的日冕區(qū)域，分析其頻譜構(gòu)成。在1869年的一次觀測中，人們分析日冕的光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一條從未有過的綠線。發(fā)現(xiàn)此前未見的譜線往往說明發(fā)現(xiàn)了一種全新的元素。德國科學(xué)家安東·古倫華德（Anton Grünwald）為這種從未在地球上發(fā)現(xiàn)過的新元素命名為“氪”（Coronium）——直到20世紀(jì)30年代才由瑞典科學(xué)家本特·艾德倫（Bengt Edlén）發(fā)現(xiàn)，那個引人注目的綠色線條并非表示存在一種新元素，而是說明了鐵離子的存在。因?yàn)檫^熱，鐵原子失去了自身一半的電子成為離子，才呈現(xiàn)出了一條離奇的譜線。但問題在于，經(jīng)過計算，人們發(fā)現(xiàn)想要鐵原子失去多達(dá)一半的電子，需要達(dá)到超過100萬攝氏度的溫度，這才意識到了日冕熱量之謎。

日冕不僅溫度極高，還能夠一直保持這個溫度，說明有著源源不斷的能量供應(yīng)。想要在理論上解決這個問題，首先需要建立一些模型。正是在20世紀(jì)50年代，當(dāng)時在芝加哥大學(xué)任教的物理學(xué)家尤金·帕克首先提出了一系列關(guān)于恒星如何釋放能量的模型。在這個復(fù)雜的模型中包含了等離子體、電磁場和高能粒子等復(fù)雜的物質(zhì)和物理過程，簡單描述也就是如今人們說的“太陽風(fēng)”。帕克提出，可能存在一種叫作“毫微閃焰”（Nanoflares）的現(xiàn)象造成了日冕的高溫。而除了用這種能夠產(chǎn)生出納米級耀斑的毫微閃焰模型來解釋日冕熱量之謎以外，還有另外一種理論認(rèn)為日冕外層的能量來自于電磁場。電磁場讓帶電粒子快速旋轉(zhuǎn)，從而獲得巨大的能量。

這兩個用以解釋日冕熱量之謎的理論模型各有支持者，更多科學(xué)家認(rèn)為，真正原因很可能是兩種因素都在起作用，因?yàn)檫@兩個理論并不相互排斥，很可能共同造就了太陽外層的高溫。除了這兩種主要理論之外，還有其他各種理論試圖解釋日冕熱量之謎，想要真正解開日冕熱量之謎，就需要詳細(xì)了解太陽風(fēng)的構(gòu)成。而太陽風(fēng)要花費(fèi)4天時間才能穿越1.5億公里的距離到達(dá)地球，此時太陽風(fēng)的粒子已經(jīng)和空間中的其他粒子相混合，失去了自身的特點(diǎn)，沒有太大的研究價值。因此，想要最終解決這個問題，別無他法，只能向太陽發(fā)射一個探測器，近距離采集太陽風(fēng)的粒子。

在極端的工作條件下，帕克太陽探測器攜帶的四組科學(xué)探測設(shè)備將會協(xié)同工作，為地球發(fā)送最具價值的太陽信息：由加州大學(xué)伯克利分?？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)室制造的“FIELDS”儀器，會通過3個磁強(qiáng)計與5個長達(dá)2米、伸出熱盾保護(hù)之外的天線來探測日冕區(qū)域的電磁場;由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室制造的“WISPR”設(shè)備是帕克太陽探測器攜帶的唯一一個攝像設(shè)備，它可以利用兩個相機(jī)來拍攝日冕區(qū)域太陽風(fēng)和沖擊波爆發(fā)的場景，并且拍攝日冕區(qū)域;由史密松天體物理臺與加州大學(xué)伯克利分校共同制造的“SWEAP”設(shè)備則會直接收集太陽風(fēng)中的電子、質(zhì)子和氦離子等物質(zhì)，測量它們的密度、速度和溫度，用以分析太陽風(fēng)的性質(zhì);由眾多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室共同設(shè)計制造的“IS～I(xiàn)S”儀器，將測量在不同能量區(qū)域的粒子，以分析它們的來歷和運(yùn)動軌跡。帕克太陽探測器每一次繞日運(yùn)行都將與太陽同步運(yùn)轉(zhuǎn)，以此專注于同一個區(qū)域，研究其溫度的變化。

人類發(fā)射一個探測器去探測一顆恒星，這種原本只會在科幻小說中出現(xiàn)的場景正在成為現(xiàn)實(shí)。人類可能難以想象，帕克太陽探測器在茫茫宇宙中經(jīng)過幾個月的旅行，到達(dá)近日點(diǎn)時所面對的場景。在距離太陽僅有630萬公里的位置，相比于從地球上觀察太陽，這顆恒星在天空中大了25倍，也亮了625倍。人類因?yàn)樽陨淼南拗疲赡苡肋h(yuǎn)無法直面這樣的奇觀，卻可以制造出探測器代替自己去身赴險境。在任務(wù)結(jié)束后，帕克太陽探測器將會分解成較大的幾個部分，進(jìn)而逐漸分解成更小的幾個部分，繼續(xù)圍繞著太陽運(yùn)行。最終，這個來自地球的探測器將會消失在百萬攝氏度高溫的日冕中，成為日冕的一部分。

自從人類文明的誕生之日起，太陽在所有文化中就具有極為特殊的意義。這顆恒星為所有生命提供了光和熱量，它強(qiáng)大、無情，不可違背，有如神明的化身，它稍有異常都會引起人們的恐慌，以為這是來自于未知的某種警示。如今人類制造出探測器去主動接近和探測太陽，這也標(biāo)志著人類文明離開了襁褓，終于有能力直面決定著自身命運(yùn)的恒星。

（本文寫作參考了美國航空航天局網(wǎng)站及其他相關(guān)機(jī)構(gòu)的報道）