與太陽“親密接觸”

本刊綜合

聽到“觸摸太陽”，大家的第一反應恐怕是：太陽好比一個大火爐，離得太近不會被烤化嗎？事實上，人類的確在做一些以前想都不敢想的事。近日，美國國家航空航天局（NASA）向太空發(fā)送了一個探測器，與太陽來了一次“親密接觸”。

2018年8月12日，“帕克”太陽探測器在美國卡納維拉爾角空軍基地由Delta-4重型火箭發(fā)射升空。

人類的探測器已經(jīng)飛向太陽系各處，如八大行星、彗星、矮行星、小行星，但從未抵達太陽。盡管之前人類已經(jīng)發(fā)射了多顆太陽探測衛(wèi)星，但這些衛(wèi)星更多地是在地球軌道上對太陽進行觀測。

“帕克”太陽探測器項目耗資大約15億美元，將持續(xù)到2025年之后。這個探測器本身并不顯眼：高度大約為3米，直徑大約為1米。它前面頂著一塊直徑2.3米、厚度僅有11.43厘米的先進碳-碳復合材料隔熱罩，所有儀器設備都“躲”在這塊隔熱罩的后方。這塊隔熱罩正是“帕克”太陽探測器的關鍵所在，在它的保護下，儀器艙的溫度可保持在30℃以下。

“帕克”太陽探測器擁有自主姿態(tài)調(diào)整功能，機身四周安裝了許多光照傳感器。如果某個方向上的傳感器感知到自身暴露在陽光下，說明隔熱罩的朝向出現(xiàn)了問題，飛船將自動調(diào)整，確保始終將隔熱罩對準太陽。此外，“帕克”太陽探測器還擁有水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過冷卻水的來回循環(huán)對機身進行降溫，確保所有設備能在接近室溫的環(huán)境下正常工作。

“帕克”太陽探測器在7年的任務期間，包含多達7次的金星飛掠，計劃圍繞太陽運行24圈，每一圈都比上一圈更接近太陽。這樣做可以盡可能地減少飛船在特別接近太陽的位置上的停留時間，避免飛船受到劇烈高溫和強烈輻射的破壞。

在最接近太陽時，“帕克”太陽探測器距離太陽表面將不到610萬千米（約為太陽半徑的8.86倍），相比之下，離太陽最近的水星與太陽的平均距離是5 700多萬千米。

當前，太陽活動處于低潮期，太陽正接近其11年活動周期內(nèi)的平靜期。但再過幾年，情況就會發(fā)生變化，屆時太陽的活動強度將逐漸上升。而“帕克”太陽探測器預計工作到2025年以后，這種長壽命的特點將有利于探測器完整掌握太陽從平靜期轉(zhuǎn)向活躍期的全周期情況。

“帕克”太陽探測器會關注太陽的哪些“小秘密”？其中三個有關太陽的基本問題——太陽風的加速、太陽風暴現(xiàn)象的原理以及日冕層的高溫是探索的重點。

懸而未決的理論問題

太陽物理學家最喜歡用油炸冰淇淋比喻太陽大氣的物理狀態(tài)，他們想以此形象地表明，太陽的外層比它的表面溫度還要高。

1941年，瑞典光譜學家本格特·艾德蘭解釋了此前獲得的一條日冕輻射譜線，它是在鐵原子的13次電離時產(chǎn)生的，這種情況只有在上百萬攝氏度的高溫下才會發(fā)生。從此，越來越多的證據(jù)表明，太陽大氣層從表面到外層從6 000℃左右逐漸升溫，日冕層已經(jīng)熾熱到上千萬攝氏度。

這個現(xiàn)象不僅和地球的情況大相徑庭，還違反了熱力學第二定律。為什么會這樣？根據(jù)多年來的觀測數(shù)據(jù)，科學家們猜測，一定有額外的能量加速粒子的運動，導致了日冕的高溫。

同樣，額外的能量還導致另一個現(xiàn)象，即太陽風的加速。1958年，美國物理學家帕克通過理論模型，精確預測了日冕克服太陽引力發(fā)生膨脹的速度和磁場強度，并首次把日冕膨脹的現(xiàn)象命名為“太陽風”。他的預測表明，太陽風抵達太陽系行星時的速度遠比其在太陽表面的大。之后的觀測數(shù)據(jù)也表明，抵達地球軌道的太陽風速度達到每秒400千米至500千米。但帕克沒能解釋這一現(xiàn)象。

60年后的今天，“帕克”太陽探測器將完成這一使命——為解釋日冕反常高溫和太陽風加速現(xiàn)象的額外能量來自哪里提供數(shù)據(jù)。

波動還是磁重聯(lián)

科學家對額外能量的觀測和猜想從未停止，目前，科學界對粒子加速的原因有“波動加熱”和“磁重聯(lián)加熱”兩種觀點。

“波動加熱”觀點的支持者認為，太陽光球附近的物質(zhì)能量交換過程激發(fā)出各類等離子體波動。1994年由歐洲航天局和NASA共同發(fā)射的SOHO衛(wèi)星觀測到相關證據(jù)。質(zhì)量較重的粒子比如氧離子加熱溫度更高，而質(zhì)子沒那么高。

“磁重聯(lián)加熱”觀點的支持者認為，額外的能量來自磁重聯(lián)。當日冕中許多地方都發(fā)生這種小尺度的重聯(lián)就可能把磁場的能量轉(zhuǎn)換為等離子體動能，即升高日冕溫度。

這兩種觀點陸續(xù)都有實際觀測的證據(jù)支持，但迄今為止沒有定論?！芭量恕碧柼綔y器能夠進入日冕外圍進行實地探測，有望解開這一謎題。

具有現(xiàn)實意義的太陽風暴

在科學家們看來，“帕克”太陽探測器對太陽風暴原理的探測具有現(xiàn)實意義。自1859年英國天文學家卡林頓首次觀測到太陽耀斑起，這種持續(xù)時間較短、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象便受到人們的高度關注。

如今，太陽風暴已被視為災害性空間天氣，世界各國都在對其進行監(jiān)測、預警和研究。

利用電磁現(xiàn)象開展的人類活動都有可能受到太陽風暴的影響，例如太陽風暴產(chǎn)生的高能粒子可能會損壞衛(wèi)星載荷的元器件、傷害身處太空的宇航員的身體；太陽風暴形成的強烈電磁輻射可能嚴重干擾通信和導航系統(tǒng)；太陽風暴觸發(fā)的強烈磁暴甚至會導致輸電系統(tǒng)崩潰。

“帕克”太陽探測器為研究太陽風暴的產(chǎn)生機制提供觀測證據(jù)，進而形成符合觀測事實的理論模型，為預測太陽風暴提供理論依據(jù)。

美國的“帕克”太陽探測器和“太陽哨兵”以及歐洲航天局的“太陽軌道器”無論從規(guī)模、科技含量、技術難度還是從預期產(chǎn)生的效果來看，堪稱太陽探測的“ 三大工程”。

“太陽軌道器 ”明年升空

將于2019年發(fā)射的“太陽軌道器”以歐洲航天局為主研制，也是“人類與日共存”國際空間合作計劃的最后一個太陽探測器，與美國的“太陽哨兵”計劃一起，旨在研究太陽表面及其大氣，對發(fā)生在太陽系核心的高能過程進行近距離觀測。

它攜帶的原位探測儀器有太陽風等離子體分析器、射電和等離子體波分析器、磁強計、能量粒子探測器、塵埃粒子探測器、中子與γ射線探測器。遙感儀器有可見光成像儀和磁照圖儀、極紫外成像儀、可見光日冕儀、X射線分光成像望遠鏡。

“太陽哨兵”前途未卜

美國還在研制 “太陽哨兵”。其任務是提供關于威脅航天員及航天器電子設備的大劑量太陽輻射的重要數(shù)據(jù)。它是一組航天器，其中“內(nèi)日球?qū)由诒笔窃诮鹦桥c水星軌道內(nèi)發(fā)射4個相同的探測器，就近搜取高能太陽粒子樣本；“近地哨兵”是一個繞地軌道航天器，從大型風暴產(chǎn)生處觀測太陽大氣層；“遠端哨兵”是一個觀測太陽背地面的航天器。不過，近年來，有關美國“太陽哨兵”的研制進度報道很少，其前途未卜。