探測太陽

編譯 姚人杰

NASA的帕克探測器將會比以往更加靠近太陽，探索太陽的神秘大氣層。

貝琦·康登（Betsy Congdon）毫不理會神話里的教訓，將她的工程師生涯的頭十年花費在一項非凡的追求上：建造出一臺探測器，讓它飛到靠近太陽的危險之地。

5月的一個細雨蒙蒙的日子里，在馬里蘭州的霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）里，康登蹲在一件被金屬箔包裹的測試樣本旁，那是她所在研究團隊的成果——發(fā)泡碳防熱板，它比一張?zhí)卮箅p人床墊略寬，又比床墊薄得多。另一件樣本就在旁邊，這件隨時能使用的備用品被密封保存于一只金屬桶內(nèi)，桶上印著一句警告語“請不要直接暴曬在陽光下”，這無意中構成了反諷。

真正的防熱板已經(jīng)一路向南運送到佛羅里達州的肯尼迪航天中心，在8月11日之后，它會固定在NASA帕克太陽探測器的工作端，一起發(fā)射升空。6周后，探測器會抵達金星。金星的引力會牽動探測器，使它向太陽系的中心飛去。再過6周，帕克探測器會首次穿過日冕，從現(xiàn)在算起到2024年為止的時間里，它將總共飛掠日冕20多次。而日冕是太陽的一層稀薄的大氣層，由高溫帶電粒子或電漿構成。

在這些飛掠中，防熱板必須保證探測器上脆弱的電子器件的安全，同時防熱板的表面溫度會激增到能熔化鋼鐵的1370攝氏度。熱量并不是來自日冕中溫度達到數(shù)百萬度的電漿（電漿太過稀薄，傳遞不了多少能量），而是完全來自強烈的日光。然而，康登并不緊張。“我們已經(jīng)對其進行了完整徹底的測試，”她說，聲音在恍如洞穴的航天器組裝室里回響，“我們已經(jīng)讓好多個樣品接受徹底的測試。”

受到大量磁場線的推動，熾熱的電漿（plasma）噴流從一處小太陽黑子升騰而起，該太陽黑子的面積差不多等于中國的國土面積

假如一切進展得順利，探測器——安全地處在防熱板的陰影里——會發(fā)送回日冕電漿以及塑造出日冕的紊亂磁場網(wǎng)絡的記錄。那些數(shù)據(jù)能解開若干基礎性的謎團。比如說，是什么東西將電漿加熱到太陽表面溫度的200倍以上？太陽風（電漿粒子流）又是如何逃逸到太空的？自從太陽物理學家尤金·帕克（Eugene Parker，這次的太陽探測器以他的姓氏命名）在1958年描述了太陽風起，太陽風一直是個謎團。更好地理解太陽風能幫助現(xiàn)今的研究者改善他們對太陽磁暴的預測。太陽磁暴是強烈爆發(fā)的太陽風，會撞擊地球磁場，最強烈的時候能破壞衛(wèi)星和電網(wǎng)。

耗資15億美元的帕克太陽探測器并非是近期唯一一個瞄準太陽的大型科研項目。在夏威夷的茂宜島上，天文學家對“丹尼爾·井上太陽望遠鏡”（DKIST）進行最后一道工序，這個耗資3.5億美元的項目由美國國家科學基金會撥款資助。它的主鏡口徑達到4米，是現(xiàn)有最大太陽望遠鏡口徑的兩倍多。當DKIST在2020年6月開始運作后，它應該能將鏡頭拉近到太陽的表面，達到前所未有的清晰度。同樣在2020年里，太陽軌道器（Solar Orbiter）預計也將發(fā)射升空，該項目耗費7.8億歐元，核心資助來自于歐洲空間局。這臺航天器將會從比帕克探測器稍遠的地方，觀測穿過日冕、引起漣漪的高能輻射。

“我真心認為，這些是變革性的任務。”霍華德·辛格（Howard Singer）說道，他是位于科羅拉多州博爾德的太空氣象預測中心的首席科學家，該中心屬于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）。辛格與同事對太陽活動發(fā)出預測，不僅僅是為衛(wèi)星和電網(wǎng)運營商服務，也是為在南北兩極附近飛行的宇航員和航線服務。

假如目前的進度表靠譜，DKIST和太陽軌道器將會趕在帕克探測器于2024年進行離太陽最近的一次飛掠之前觀測日冕。那個時間安排應該能讓太陽系物理學者對遠處獲得和就地獲得的數(shù)據(jù)（而且是在同一時間收集到的數(shù)據(jù)）進行合并和匹配，從而能夠測量日冕中的變化，同時在太陽起伏的表面觀察尋找線索，了解攪動和加熱日冕的過程。

2018年早些時候，3個項目派出的代表在APL初次會面，商討如何一起攻克日冕的謎團?！皩τ谔栁锢韺W，這絕對是個獨一無二的時刻。我們能做一些聯(lián)合科研，那將會十分精彩?！蓖呃侍埂ゑR蒂內(nèi)·皮耶（Valentin Mart í nez Pillet）說道，他是位于博爾德的美國國家太陽天文臺臺長，該天文臺是負責建造DKIST的機構。

帕克探測器的太陽之旅實現(xiàn)了像美國太空計劃一樣悠久的遠大目標。1958年時，美國仍然因為蘇聯(lián)的斯普特尼克衛(wèi)星成功發(fā)射而飽受沖擊，美國國家科學院（NAS）的一個由早期的太空物理學家約翰·辛普森（John Simpson）和詹姆斯·范·艾倫（James Van Allen）擔任主席的委員會進行頭腦風暴，羅列了一些希望進行的太空任務，從科學角度上來說，這些任務能夠讓美國在太空探索中進入領先地位。其中一個想法就是讓一臺探測器進入水星軌道，嘗試探測太陽電漿。

數(shù)十年以來，這個想法未曾從任務名單中脫穎而出?！拔覀円呀?jīng)嘗試過五六次，”克里斯·圣西爾（Chris St. Cyr）說道，他在位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心工作，是NASA負責太陽軌道器的項目科學家，“在有現(xiàn)成的科研資金的時候，它從未獲得科學共同體的政治意愿。”

到21世紀初，NASA和NAS都將太陽探測器作為首要項目優(yōu)先推動。最終的成果帕克探測器會飛行到距離太陽不到0.04天文單位（AU）的地方，是水星繞日軌道的1/10，是目前最逼近太陽的探測器的記錄保持者的1/7。記錄保持者是20世紀70年代中期的太陽神號姊妹探測器，由西德和NASA聯(lián)合建造。這兩臺探測器每秒自轉一次，籍此均勻分攤太陽的熱量。

對帕克探測器而言，0.04AU代表了折中方案。NASA此前在2005年構想的太陽探測器概念中，探測器會在一次或兩次飛掠中與太陽的最近距離，至少是目 前計劃的最近距離的1/2。

然而，那樣會花費昂貴。在2007年，NASA讓APL的管理方削減開支。作為回應，他們改變了探測任務的設計方案，探測器會飛得與太陽更遠些，同時增加飛掠次數(shù)作為補償。他們還換下了昂貴的放射性同位素電機，代之以吸收太陽能的面板——日冕中的太陽能無比充沛。為了預防過熱，帕克探測器在橢圓形軌道中靠近近日點時，會將太陽能板隱藏在防熱板下面的陰影里。當探測器距離太陽稍遠時，它會伸展打開太陽能板，捕捉陽光，同時有一套水泵系統(tǒng)用水浴為面板降溫。

接下來就要說到至關重要的防熱板。在建造帕克探測器的無塵室的樓上，就是康登的辦公室，她在那兒存放了一塊測試用的防熱板材料：正方形、行李箱大小、黑色。這種材料的構造類似三明治，中間填充一層厚厚的發(fā)泡碳，兩邊是薄層的碳-碳復合材料。這種復合材料是一種用碳纖維編織出的材料，當它被加熱到幾千度時，性能變得更強，而不是更弱。NASA的航天飛機的機頭和機翼上就裝有碳-碳復合材料的厚墊。

康登拿起樣品，將它展開。令人意外的是，樣品很輕，全尺寸的防熱板重量僅相當于一個人的體重。觸碰一下的話，從樣本邊緣暴露出的粗糙的發(fā)泡碳像軟質(zhì)鉛筆的鉛芯一樣，會讓手沾上顏色。真正的防熱板外側有一層白色涂層，旨在反射盡可能多的熱量，但是在這塊沒有涂層的樣品上，有部分表面變得很黑，像是烤過了頭。

工程師耗費了許多心血，確保防熱板永遠不會偏離帕克探測器和太陽之間的位置，包括當探測器消失在太陽后面，它與地球的無線電聯(lián)絡被切斷的時候，或者是當太陽自身的無線電發(fā)射淹沒探測器的無線電的時候。假如傳感器發(fā)現(xiàn)防熱板旋轉離開原位，一套自動化系統(tǒng)會扶正探測器的方向。“我們需要在幾分鐘后將防熱板恢復原位，搶在某個器件遭到嚴重損壞之前?！奔贰そ鹉嵘↗im Kinnison）說道，他在APL中擔任帕克探測器任務的系統(tǒng)工程師。

諷刺的是，防熱板在地球上碰到氧氣很容易燃燒。一項高溫測試發(fā)生了“令人驚恐”的大轉折，當時實驗艙的真空密封破了，氧氣泄漏進去?？档钦f道：“那東西燃起了火焰。”但是，在日冕的稀薄電漿中，氧氣稀少，僅有的氧原子已經(jīng)被高溫拽走外層電子。帕克探測器的科學團隊希望弄明白這種現(xiàn)象背后的原因。

帕克太陽探測器的防熱板被降下放入一個模擬太空真空環(huán)境以及太陽熱度的實驗艙

帕克太陽探測器在佛羅里達州發(fā)射升空之前，等待裝上防熱板和太陽能板

太陽的可見表面叫做光球?qū)樱幱诖蠹s5 500攝氏度的高溫中。小學的物理教材認為，因為日冕距離太陽核心的熱源更遠，它的溫度應該下降。恰恰相反，日冕的溫度激增到100萬攝氏度以上。

對于這額外熱量的來源，太陽系物理學者已經(jīng)爭論了數(shù)十載。他們至少在大體上取得一致。能量大概始于光球?qū)踊蚬馇驅(qū)右韵碌倪\動，天文學家在那兒見到了沸騰的顆粒。它們是對流電漿形成的泡泡，像火上的大鍋一樣燒得沸騰，挾帶著巨大的動能。

帶電荷的電漿和日常材料不同，會對磁力作出響應，沿著磁場線流動。移動的粒子本身產(chǎn)生電流，電流又產(chǎn)生額外的磁場。有時候，磁場向上延伸，穿過太陽表面，進入日冕。日冕能建立一條路徑，將顆粒的動能轉換成熱能。

“在此之外，假如我們引入5位理論物理學家，我們也許能獲得15項理論?！笔ノ鳡栒f。然而，科學家提出的日冕加熱路徑分成兩大類。

第一類是磁場線突出糾纏的突然變化將熱能泵送到日冕。雙腳扎根于光球?qū)拥脑S多磁場線外形酷似密蘇里州的圣路易斯拱門。但隨著太陽表面的攪動，磁場線的雙腳移來移去，讓上面的磁場線彼此糾纏在一起。應力逐步增加，當磁場線突然斷成更加穩(wěn)定的一段，大量的能量釋放到周圍的電漿中。

自從2010年起，一些太空任務已經(jīng)以幾乎逐秒的方式監(jiān)測太陽的變化。它們已經(jīng)觀測到那些被稱為“磁重聯(lián)”的突變，顯示出磁重聯(lián)能激發(fā)耀斑。這類事件常常發(fā)生，足以解釋日冕中部分——但并非全部——熱量的來源。理論物理學家長期以來一直懷疑，尺寸小得多的“毫微耀斑”（nanoflares）也可能在接近太陽表面的地方爆發(fā)，因為太小太微弱而未被探測到。每秒鐘出現(xiàn)100萬次這樣的毫微耀斑，每次的威力差不多相當于5 000萬噸級的氫彈，這樣就能充分解釋日冕所測量到的溫度。

假如日冕的熱量確實來自于大量未被發(fā)現(xiàn)的不連貫爆炸，那么日冕中剛剛受到加熱的小片區(qū)域在能量擴散之前，應該會達到高達1 000萬攝氏度的高溫。近些年里，衛(wèi)星和次軌道火箭以X射線和紫外線在地球大氣層之上觀測，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)來自日冕電漿的1 000萬攝氏度的高溫噴射，為這項理論增加了間接支持?！八谀莾?，那是某種程度上毋庸置疑的結論。”戈達德太空飛行中心的天體物理學家吉姆·克利姆丘克（Jim Klimchuk）說道。

其他的理論物理學家為這些從太陽深處升起的熱量想象出一條不同的路徑。冒泡的電漿原胞的移動激發(fā)了向外的磁能波。從理論上來說，磁能波能夠擾動日冕中的磁場線，仿佛那是混合健身房里的力量繩一樣——尤其是一端附著在太陽上，另一端懸蕩于太空的磁場線。那種扭動加熱了附近的粒子，那些粒子“像在浪尖上的沖浪者”一樣，竊取熱能和動能，凱利·柯力克（Kelly Korreck）如此說道，他是太陽物理學家，在位于馬薩諸塞州坎布里奇的史密森尼天體物理觀測臺工作。

即將到來的三個探測任務應該有助于弄清日冕的熱量來源比例，有多少來自于磁重聯(lián)，有多少來自于磁能波，或許還能弄清毫微耀斑之類的特定的次進程，雖然柯力克的語氣有點兒謹慎：“沒有哪臺望遠鏡肯定會找到答案?！迸量颂綔y器將會沿著一條路線移動，預計在路線周圍磁能波加溫占據(jù)主導地位。假如帕克探測器感測到磁能波，它就能檢查磁能波提供了多少能量。通過測量接近太陽地方的剛剛加熱后的電漿——比如說，一次毫微耀斑釋放出的熾熱的氦原子流——帕克探測器還應該能查出磁重聯(lián)加熱事件的蛛絲馬跡。

至于DKIST和太陽軌道器，它們會研究帕克探測器移動路線下面的區(qū)域，補充信息。DKIST使用紅外光觀測，而太陽軌道器使用紫外線和X射線觀測，這兩臺觀測設施會勘查出稍縱即逝、彼此糾纏的磁場結構，可能是這些結構觸發(fā)了毫微耀斑。

帕克探測器還會探索芝加哥大學榮休物理學家帕克（時年91歲）留給科學界后繼者的謎團：是什么驅(qū)使帶電粒子流以每秒數(shù)百公里的速度擴散進入太陽系？在日冕底部，太陽磁場對電漿有很強的控制。在底部以上的某個地方，粒子移動的速度就快得足以擺脫太陽的引力，逃逸進入太陽系?！澳蔷褪悄Хòl(fā)生的地方，太陽風在那兒被大幅加速，然后就離開了太陽?！蹦莨爬じ？怂梗∟icola Fox）說道，她是APL帕克探測器項目的科學家，“我們會在那片區(qū)域里探測。”

太陽風像日冕一樣，看上去都違背了基本物理學常識：隨著太陽風開始擴散進入太陽系，它應該冷卻和放慢速度，但事實上它沒有。有什么東西在一直向外驅(qū)動太陽風——或許是沿著螺旋路徑的粒子發(fā)出的能量，或者是等離子體湍流陣風的耗散。帕克探測器記錄下它飛行穿過電漿的小尺度物理活動，這樣就會確定太陽風是在哪兒啟動的，縮小有可能發(fā)動太陽風的機制的范圍?！拔覀兌贾?，魔鬼在于細節(jié)中?！备？怂拐f。

2017年10月，一位精神抖擻的退休學者戴著發(fā)罩，穿著藍色鞋套，披著實驗室大褂，造訪了APL的無塵室，他的左右兩側都是參與這次任務的科學家。帕克親自過來查看這臺以他的姓氏命名的探測器，它將致力于研究帕克早在60年前描述的太陽風。帕克提出太陽風的概念，部分是來自于他對遠離太陽方向的彗星尾的觀測。

這個概念曾經(jīng)讓爭議四起——有兩名評議者當即否決帕克的論文。如今，太陽風成為一門新興應用科學的奠基石。也許事實會證明，理解日冕在平常日子里的行為是預測日冕極度活躍時行為的關鍵所在。不管是什么物理原理讓太陽風加速，同樣的原理也激發(fā)了危險的太陽磁暴。

有害的太空天氣可分為好幾類。平時的太陽風只會對在地球的保護性磁場以外的宇航員、對月球或火星這類深空地點造成健康風險。耀斑朝向地球投擲出更加強烈的粒子和輻射爆，能導致衛(wèi)星故障，而當它們被地球兩極附近的磁場匯集時，就產(chǎn)生了極光景色。最罕見也最強烈的事件被稱為“日冕物質(zhì)拋射”（CME），發(fā)射出密集的粒子團，能壓制地球磁場，重創(chuàng)通訊技術。比如說，1967年，在多個早期預警雷達系統(tǒng)似乎遭到阻塞干擾后，美國空軍開始做核戰(zhàn)爭準備。而它的罪魁禍首就是一次大規(guī)模日冕物質(zhì)拋射，幸虧及時發(fā)現(xiàn)真相，阻止了一場災禍。

“日冕物質(zhì)拋射何時會發(fā)生？將會持續(xù)多久？將會有多么強烈？”辛格問道，“要弄明白如何去預測日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象，還存在巨大缺口?！?/p>

日冕物質(zhì)拋射發(fā)生時的預兆甚少。NASA和NOAA負責追蹤太陽風的衛(wèi)星逗留在地球與太陽之間的穩(wěn)定引力點，引力點位于距離太陽1%的地方。按照太陽風的速度，在那兒收到的太空天氣事件能在15分鐘后抵達地球。于是，學會從帕克探測器、DKIST和太陽軌道器的數(shù)據(jù)中識別太陽破壞性事件的預警征兆，就會導向更好的預測，辛格說道。

DKIST會用顯微鏡觀察噴出耀斑的相同磁場結構。太陽軌道器會測量太陽遠端的磁場，并測試：在密集磁場經(jīng)由自轉進入我們視野之前，監(jiān)測那些磁場是否能改善未來對日冕物質(zhì)拋射的預測。通過測量日冕中小型耀斑噴發(fā)時的狀況，帕克探測器應該會改進太空天氣模型。團隊成員希望探測器可以幸運穿過日冕物質(zhì)拋射。

但是，要實現(xiàn)這些目標，仍然有許多工作要做?？档亲约旱奶角蟛畈欢嘟Y束了。防熱板緊緊地固定在帕克探測器上方，準備進入太空。康登早已訂好了8月發(fā)射窗口開啟時去佛羅里達的機票，她不是要去工作，而是要去作為一名游客，在為APL訪客特別留出的特別觀景區(qū)觀賞探測器的發(fā)射升空。帕克也是如此，他將和家人一同前往，他們會受到貴賓般的款待。

“科學家臉上的喜悅之情——那就是我們在尋找的東西。”康登說。

資料來源 Science