飛越日冕人類首次探訪恒星15億美元觸及太陽(yáng)

龐之浩

我們當(dāng)然感謝太陽(yáng)，它提供了一切能量，讓人類存在。但同時(shí)，我們也敬畏太陽(yáng)，它偶爾的爆發(fā)，可能毀滅一切。太陽(yáng)風(fēng)暴來臨的時(shí)候，雖然有地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)，絕大多數(shù)情況，太陽(yáng)風(fēng)能被拒之門外，但總有萬一發(fā)生。比如1859年9月，那一天，據(jù)說北半球的絕大部分地區(qū)都能看到極光，包括中國(guó)。那一天高能粒子風(fēng)暴讓整個(gè)歐洲和北美的電報(bào)系統(tǒng)全部癱瘓。如今，如果再有類似強(qiáng)度的太陽(yáng)風(fēng)暴來襲，后果不堪設(shè)想。

敬畏和恐懼源于未知，我們必須更加了解太陽(yáng)。2018年8月12日，美國(guó)卡納維拉爾角，“德爾塔”4重型火箭攜帶一個(gè)注定載入史冊(cè)的探測(cè)器升空?！芭量颂?yáng)探測(cè)器”（Parker Solar Probe）將“觸及太陽(yáng)”，讓人類能夠以最近的距離接近太陽(yáng)，在嚴(yán)酷的高溫和輻射條件首次穿過太陽(yáng)大氣層日冕，是第一次正式探訪恒星的人造物體，能首次對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行全方位探測(cè)，嗅到、嘗到太陽(yáng)的味道，所獲數(shù)據(jù)有望“完全顛覆”以往對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知。

追星易 逐日難

近些年，國(guó)外發(fā)射了不少太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星，分別用于研究太陽(yáng)耀斑;拍攝太陽(yáng)黑子爆發(fā)時(shí)的全景三維圖像;觀察太陽(yáng)磁場(chǎng)、噴發(fā)的等離子體等。與太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星相比，太陽(yáng)探測(cè)器要在距離太陽(yáng)更近的地方探測(cè)太陽(yáng)，所以能采集更多、更有科研價(jià)值的太陽(yáng)數(shù)據(jù)。不過，一切事物都是一分為二的。

正因?yàn)樘?yáng)探測(cè)器要飛到距離太陽(yáng)比較近的地方進(jìn)行探測(cè)，所以其研制和運(yùn)行難度都比太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星大許多，尤其對(duì)其防熱措施、軌道設(shè)計(jì)等要求更高。

“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”注定將經(jīng)歷一次“酷熱之旅”。它將工作在太陽(yáng)大氣深處，在那里可以采集太陽(yáng)風(fēng)以及磁場(chǎng)的一手樣本。預(yù)計(jì)在2018～2025年期間，它將在0.25個(gè)AU（AU是太陽(yáng)到地球的平均距離，即一個(gè)天文單位，約1.5億千米）范圍內(nèi)繞行太陽(yáng)24圈，為此，它將承受高達(dá)1400℃的熾熱以及太陽(yáng)輻射的考驗(yàn)，其抗輻射水平需是前所未有的。當(dāng)該探測(cè)器以最近距離接近太陽(yáng)時(shí)，它面臨的太陽(yáng)強(qiáng)度是地球軌道上航天器所經(jīng)受強(qiáng)度的500倍。

為此，“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”必須有一個(gè)超強(qiáng)隔熱的金鐘罩?？茖W(xué)家們研制了一個(gè)直徑2.4米、12厘米厚、重73千克的碳復(fù)合材料防熱罩（TPS）。它像一塊三明治，兩塊碳纖維合成板夾著11.5厘米厚的輕型碳泡沫芯組成，可承受1650℃高溫，幾乎可保障所有儀器的安全。

防熱罩裝在“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”頂部，像把遮陽(yáng)傘。其向太陽(yáng)的一面被噴上特制的白色涂層，以盡可能地反射太陽(yáng)的能量，為探測(cè)器的其余部分創(chuàng)造更溫和的陰影。探測(cè)器一刻不停地在運(yùn)動(dòng)，如何能保持防熱罩始終朝向太陽(yáng)？這就用到了相對(duì)慣性空間始終定向的三軸穩(wěn)定陀螺。如果探測(cè)器整體一直處于防熱罩的陰影中，其溫度可保持在約29℃。

隨之而來的，還有一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。我們都知道，衛(wèi)星、探測(cè)器等能量來源主要依靠太陽(yáng)能帆板接收太陽(yáng)能。那么金鐘罩要不要把太陽(yáng)能帆板罩起來呢？當(dāng)然不能全部罩起來了，不然設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的電從哪來的？但伸出去，會(huì)不會(huì)被烤化？在線等，挺急的。

“帕克”其兩個(gè)太陽(yáng)電池翼，都是可收縮擴(kuò)展的，并裝有冷卻系統(tǒng)。在每次接近太陽(yáng)的過程中，當(dāng)陽(yáng)光過強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能電池翼都收縮到防熱罩之內(nèi)，僅有一小部分暴露在強(qiáng)烈陽(yáng)光下，這部分依靠;令卻系統(tǒng)來獲得持久的電力供應(yīng)。冷卻系統(tǒng)由加熱水箱、熱管、散熱器和去離子水（冷卻液）、冷卻液的循環(huán)泵等組成。加熱水箱用于保證冷卻液在發(fā)射過程中不被凍結(jié);熱管可把被加熱的去離子水導(dǎo)入散熱器，4個(gè)采用鈦管制造的散熱器上面的鋁鰭只有0.5毫米厚，可把多余的熱量擴(kuò)散到太空中;冷卻液是約3.7升的水。探測(cè)器要穿過冰冷的太空，極短時(shí)間內(nèi)完成從冷到熱的過度，很多冷卻液不能在溫度跨度如此之大的情況下正常工作，所以選擇了水。它們起到冷卻太陽(yáng)電池翼的作用。由于去離子水被加壓，所以其沸點(diǎn)超過125℃。

“帕克太陽(yáng)參測(cè)器”還具有自我保護(hù)功能。它裝有多個(gè)手機(jī)一半大小的傳感器，分布在防熱罩陰影的邊緣。如果任何一個(gè)傳感器感知到陽(yáng)光，便會(huì)提醒中央電腦，“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”隨即調(diào)整方位，確保傳感器及其他儀器的安全。

首次穿日冕

到目前為止，對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)還要在距其很遠(yuǎn)的地方進(jìn)行記錄，而“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”將可以足夠接近太陽(yáng)。它是美國(guó)航空航天局“與日共存”項(xiàng)目的一部分，旨在認(rèn)識(shí)太陽(yáng)和地球空間環(huán)境，一該系統(tǒng)將直接影響人類生命和人類社會(huì)。它將比以往任何人造物體都更接近太陽(yáng)表面，第一次飛入太陽(yáng)外層大氣層日冕所在軌道上。這是第一次正式探訪恒星的地球航天器，在發(fā)射之后大約6.5年后到達(dá)距離太陽(yáng)9.5倍太陽(yáng)半徑處（太陽(yáng)半徑約70萬千米）對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行全方位探測(cè)，獲取日冕、太陽(yáng)風(fēng)等方面的最翔實(shí)信息，采集有關(guān)太陽(yáng)的一手樣本。

目前，距離太陽(yáng)最近的探測(cè)器紀(jì)錄由20世紀(jì)70年代發(fā)射的“太陽(yáng)神”2號(hào)探測(cè)器保持，距太陽(yáng)約4343萬千米。“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”將以前所未有的距離靠近太陽(yáng)——距離太陽(yáng)表面約600萬千米，相比先前距太陽(yáng)最近的探測(cè)器還要近7倍，直接進(jìn)入太陽(yáng)大氣層，能更加清晰地看見太陽(yáng)風(fēng)速度從原來的亞音速達(dá)到超聲速的過程，同時(shí)飛過高能太陽(yáng)粒子的發(fā)源地。它88天繞太陽(yáng)一圈，飛行速度達(dá)到200千米/秒，成為世界上最快速度的人造物體。此前飛行速度紀(jì)錄也是“太陽(yáng)神”2號(hào)保持的，在1976年4月17日，它以70千米/秒的速度繞著太陽(yáng)行駛。

進(jìn)入太陽(yáng)日冕，能夠追蹤能量和熱量如何通過太陽(yáng)日冕，探索加速太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)能粒子的作用。其觀測(cè)記錄能回答一些長(zhǎng)期以來困擾著天文學(xué)家的難題，有助于揭示太陽(yáng)的運(yùn)行機(jī)制，了解太陽(yáng)與行星、地球的關(guān)系，提高人類預(yù)測(cè)太空天氣的能力，改善會(huì)影響地球生命的主要天氣事件，以及協(xié)助太空衛(wèi)星和航天員的觀測(cè)。

由于要如此近距離的接觸太陽(yáng)，所以這枚探測(cè)器的技術(shù)含量相當(dāng)高，造價(jià)15億美金。人們期待飛越日冕之旅，至少能夠解答三個(gè)問題：為什么太陽(yáng)表面（光球?qū)樱┑臏囟缺忍?yáng)的大氣層（日冕）的溫度低那么多;弄清楚影響地球和太陽(yáng)系的太陽(yáng)風(fēng)（太陽(yáng)向外發(fā)出的物質(zhì)流）是如何形成的，怎樣獲得速度;弄清楚為什么太陽(yáng)有時(shí)候會(huì)釋放出高能粒子。

發(fā)射后，“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”不會(huì)立即飛往太陽(yáng)而是駛向金星的方向，因?yàn)榻鹦堑囊ψ饔脮?huì)改變它的速度和軌道。在約7年的時(shí)間里，它將利用7次金星借力逐漸縮小環(huán)繞太陽(yáng)的橢圓軌道，每次相遇都會(huì)利用金星的引力使探測(cè)器的飛行軌道變得更小、速度變得更快，即輕微改變探測(cè)器軌道，讓飛行路線彎曲，以使其軌道能越來越深地深入到太陽(yáng)的大氣層內(nèi)。

到了最后離太陽(yáng)最近的時(shí)候，探測(cè)器將會(huì)成為人類歷史上最快的飛行器。最后將到達(dá)距離太陽(yáng)600萬干米處。其最終軌道為近日點(diǎn)600萬千米、遠(yuǎn)日點(diǎn)11000萬千米的橢圓軌道，相對(duì)于黃道面的軌道傾角為3.4°，軌道周期為88天。

完成人類首次“觸摸太陽(yáng)”的夢(mèng)想后，最終在2025年6月以超過每小時(shí)72萬千米的高速?zèng)_入太陽(yáng)焚毀。

太陽(yáng)的秘密

我們知道太陽(yáng)大氣從里向外分為光球?qū)?、色球?qū)印⑦^渡區(qū)和日冕。光球?qū)訙囟却蠹s為6000℃，而日冕的溫度可以達(dá)到100萬℃-200萬℃。外層反而溫度更高？這一奇特現(xiàn)象困擾了科學(xué)家多年。太陽(yáng)外部大氣層——也即日冕的溫度，比太陽(yáng)表面溫度還要高上數(shù)百倍。這一反常的現(xiàn)象意味著什么，科學(xué)家至今仍未找到合理的解釋。這就是所謂“日冕之謎”。困擾科學(xué)家的另一個(gè)謎團(tuán)是太陽(yáng)風(fēng)。所謂太陽(yáng)風(fēng)就是太陽(yáng)向整個(gè)太陽(yáng)系噴射出熾熱的帶電粒子風(fēng)。然而令人驚奇的是，在靠近太陽(yáng)表面的地方，卻并沒有任何明顯的強(qiáng)風(fēng)存在，但當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)抵達(dá)太陽(yáng)系行星肘，卻變成了真正的“狂風(fēng)”，是地球風(fēng)速的上萬倍。那么在太陽(yáng)和行星之間究竟是什么因素使得太陽(yáng)風(fēng)有那么高的速度呢？

Tips

你的名字

“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”，也就是原計(jì)劃的“太陽(yáng)探測(cè)器+”，于2017年5月31日改名為“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”。

美國(guó)芝加哥大學(xué)教授尤金紐曼帕克生于1927年，是太陽(yáng)風(fēng)科學(xué)的先驅(qū)。他在1958年就預(yù)言了太陽(yáng)風(fēng)的存在并提出了相關(guān)理論，這項(xiàng)預(yù)測(cè)幾年后便通過太陽(yáng)探測(cè)器所獲資料的證實(shí)。帕克于1967年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。這是美國(guó)航空航天局第一次以健在人物命名航天器，可見帕克的偉大。

“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”上還放置了一枚存儲(chǔ)卡。上面有113萬多參與公眾的名字，它將隨著探測(cè)器一同送至離太陽(yáng)最近的地方。

責(zé)任編輯：武瑾媛

91歲高齡的尤盒·帕克教授在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)。

今年5月18日，一塊紀(jì)念尤金·帕克的銘牌安裝到了“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”上。銘牌上寫了這么一段話：“帕克太陽(yáng)探測(cè)器的任務(wù)要獻(xiàn)給專注于研究太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的尤金·帕克博士，他的貢獻(xiàn)徹底改變了我們對(duì)太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的理解，讓我們看看未來會(huì)發(fā)生什么Gene Parke r1 2017年7月。”