新京报刊文谈帕克“追日” 这次探索计划牛在哪?

  原标题:帕克“追日”,这次探索计划牛在哪儿 | 新京报专栏

  帕克探测器将实现一项史无前例的壮举——近距离“触摸太阳”,首次冲进日冕层,突破了又一个“禁区”,让我们可以近距离地了解太阳和恒星。

▲美国“帕克”太阳探测器12日发射升空。图片来源:视觉中国

  文 | 孙正凡

  8月12日,美国航天局从卡纳维拉尔角发射了帕克太阳探测器,它的目的是实现一项史无前例的壮举——近距离“触摸太阳”,它离太阳最近处只有600万公里。

  帕克探测器近距离“触摸太阳”

  帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)最重要的目标是为了研究“太阳风”和日冕层的高温之谜。日冕是太阳的大气层,太阳表面温度只有5500摄氏度,但日冕层温度却高达上百万度。太阳风是从太阳表面喷出的高能粒子和电磁场,它的范围延伸到目前已知的整个太阳系,对地球环境有重要影响。

  这个探测器之所以被命名为帕克,就是因为美国天文学家尤金·帕克(Eugene Parker,1927—)在1958年首次预言了太阳风的存在,这也是美国宇航局首次用在世科学家的名字命名探测器。

  帕克太阳探测器将借助金星完成引力弹弓效应加速,进入绕太阳运行轨道,近日点距离太阳609.7万公里,远日点在金星轨道附近。在近日点附近,它只是地球到太阳距离的25分之一(日地距离1亿5000万公里),也就是看到太阳亮度是我们看到的625倍!

  设计如此之大的椭圆轨道,既是为了延长自己的寿命,让帕克能够到远处“喘口气”,也是为了研究不同距离上的太阳风变化规律,全方位监测太阳活动。帕克太阳探测器携带了4台科学仪器,可以让它对太阳表面的特征活动进行拍照,测量太阳附近的电磁场结构和能量,实现对于太阳风粒子进行直接测量,从而揭示太阳风的加速机制。

  这个探测器计划其实早在20多年前就提出来了,随着材料科学的新进展,科学家们才找到了性能足够良好的隔热材料,从而能够保护航天器和科学设备能够在上千度的高温下正常工作。隔热罩由两块碳纤维面板之间夹一层4.5英寸厚的碳复合泡沫材料制成。虽然面向太阳一侧的温度约达1371℃,但在隔热罩后面,探测器的温度还能保持在29℃。飞船上还有一套精密的水循环系统,只需要一瓶子矿泉水就能让飞船有效降温。

▲美国“帕克”太阳探测器12日发射升空。图片来源:视觉中国

  太阳风,太阳和地球的连接

  帕克太阳探测器要向困扰科学家们几十年的几个科学问题发起冲击。在近日点,600万公里距离处,是日冕层的边缘。此前还没有探测器到达过如此近的位置。根据我们的经验来说,距离热源越远,温度就会越低,但日冕层十分反常,它会比太阳表面温度高得多?这是个巨大的未解之谜。帕克也将在太阳风内穿梭,探索太阳风的源头结构,以及太阳风如何获得极高的速度。

  在60年前的1958年,太空时代刚刚拉开序幕,苏联在前一年发射了第一颗人造地球卫星。同样在这一年,美国科学家尤金·帕克研究此前对于彗星尾巴、太阳活动的研究,提出我们周围的太空并不是空无一物的,而是存在从太阳辐射出来的高能粒子,他称之为“太阳风”, 而且用流体力学详细计算了太阳风从亚声速到超声速的加速模型。

  接下来,1958年美国卫星“探险者1号”发现了地球周围有高能粒子和磁场组成的辐射带——范艾伦辐射带。1959年苏联卫星“月球1号”没能进入月球轨道,却成了第一颗绕太阳运行的人造卫星,直接探测到了太阳风粒子。这一切证据都证明了帕克“太阳风”理论的正确性。

  吹到地球附近的太阳风,会强烈影响地球磁场形状;地球磁场又会俘获来自太阳风的高能粒子,形成了辐射层,发射卫星,特别是载人航天器的时候,必须要尽量避开这些辐射层,免得对其造成伤害。太阳风关系到航天安全,它会强烈影响地球周围“空间天气”、对人造卫星、载人航天活动有直接影响,也会对地面无线电通信,甚至地面电力系统安全;当然更直观的,就是地球两极附近美丽的极光。

  帕克开启7年绕日之旅

  太阳是离我们最近,是地球生命赖以生存的光和热的来源,但对于我们来说,太阳本身仍然有很多未解之谜,比如太阳本身是怎么诞生的?以太阳黑子数量为标志的太阳活动周期究竟是怎么产生的?太阳也不是一颗安静的星球,它表面存在各种各样的活动,尤其是喷发出来的高能粒子,形成强烈太阳风,会干扰地球上的电磁环境。为了研究这些问题,地球上有数十个望远镜一直在24小时接力观察太阳。进入太空时代以来,更是发射了好几个太阳观测卫星在绕日轨道进行监测。

  帕克太阳探测器将持续工作7年时间,总耗资约15亿美元。它将会7次掠过金星,借助引力弹弓效应实现加速。最快速度达到每秒192.2公里,相当于从北京到上海只需要6秒钟!在轨道上绕太阳运行时,距离越近,速度就要越快,才能返回到远离太阳的位置上去。

  以前的航天器最近到达过水星轨道之内,距离太阳4300万公里。帕克在新材料科学的帮助下,首次冲进了日冕层,突破了又一个“禁区”,让我们可以近距离了解的太阳和恒星,因为在其他恒星周围也有同样的“星风”,在未来对更深处宇宙的探测中,也许我们会利用到它。

  帕克探测器的路还很长,www.8567123.com,我们向宇宙探索的征途更是才刚刚开始。

  □孙正凡(科普作家)

责任编辑:张玉