太陽任務(wù)

劉安立 劉聲遠(yuǎn)等

地球人的探測器已經(jīng)造訪過冥王星和太陽系邊緣地帶?；鹦擒囌诩t色火星表面游走。然而，我們對太陽的探測卻很不夠，直到2018年夏季和2019年2月展開的——

當(dāng)太陽風(fēng)“吹”到地球時，它可能破壞甚至毀滅地面上和地球軌道中的電子技術(shù)裝置。美國科學(xué)院最近進(jìn)行的一項研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有提前預(yù)警的話，攜帶太陽風(fēng)的一次巨型太陽耀斑僅僅對美國就可能造成2萬億美元的損失，而且要想迅速挽回?fù)p失是不可能的。該研究發(fā)現(xiàn)，巨型太陽耀斑會重創(chuàng)發(fā)電站，導(dǎo)致美國東海岸地區(qū)停電達(dá)一年之久。在太陽風(fēng)面前，歐洲同樣不堪一擊。盡管巨大太陽風(fēng)幾百年才會出現(xiàn)一次，小型太陽風(fēng)卻頻頻出現(xiàn)。大多數(shù)小型太陽風(fēng)暴的破壞力并不大，但依然有明顯破壞力。例如，1989年3月，一次小型太陽風(fēng)暴重創(chuàng)加拿大魁北克省的一座變電站，在緊急搶修期間供電中斷超過9小時。2003年，發(fā)生于西方萬圣節(jié)期間的一系列小型太陽風(fēng)暴，導(dǎo)致美國宇航局超過半數(shù)的人造衛(wèi)星出現(xiàn)各種故障。飛機(jī)不得不改道以離開極地上空，目的是避開與強(qiáng)烈激光有關(guān)的大量輻射。

因此，對太陽的近距離研究可謂恰逢其時。而對太陽的研究欲望可以回溯到現(xiàn)代太空時代之前的19世紀(jì)。1869年8月7日，天文學(xué)家聚集在俄羅斯和北美洲，觀測一次日全食。在數(shù)分鐘的黑暗里，科學(xué)家們抓緊時間觀測難得一見的奇觀：鬼魅的日冕——太陽的大氣外層。對當(dāng)時的天文學(xué)家來說，日冕是他們夢寐以求的東西。其中兩位天文學(xué)家——查爾斯·揚(yáng)和威廉·哈克尼斯使用光譜儀，把日冕光的波長細(xì)分。他們知道，不同的化學(xué)元素受到外在能量激發(fā)時發(fā)出的光會在不同波長反映出來。通過測量這些“光譜線”，他們就能確定日冕的化學(xué)組成。他們各自獨立地發(fā)現(xiàn)了一條波長為530.3納米的綠色光譜線。這在當(dāng)時引起極大的轟動，因為沒有任何已知化學(xué)物對應(yīng)這一波長，所以這兩位天文學(xué)家以為自己發(fā)現(xiàn)了一種新元素。他們把它命名為癚（dàn）。

事實上，揚(yáng)和哈克尼斯的推測是錯誤的。但直到20世紀(jì)30年代，科學(xué)家才明白了其中的原因。天體物理學(xué)家沃爾特·格羅特里安和本吉特·艾德倫通過實驗室研究發(fā)現(xiàn)，鐵能夠發(fā)出那種綠光，但前提是鐵被加熱到300萬℃，從而被轉(zhuǎn)換成一種帶電氣體——等離子體。但這一認(rèn)識引出了一個真正的奧秘：是什么機(jī)制在把日冕加熱到300萬℃？這個問題的確是個很大的奧秘：太陽表面溫度只有0.6萬℃。“帕克號”任務(wù)團(tuán)隊項目工程師、美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室科學(xué)家?？怂拐f：“（日冕超高溫）簡直顛覆了物理學(xué)和自然規(guī)律。日冕溫度奇高就好比水往高處流。按理說，越遠(yuǎn)離熱源溫度越低。日冕區(qū)域到底發(fā)生了什么，以至于把日冕物質(zhì)升溫到300萬℃以上？這簡直令人匪夷所思！”

如果這么大的奧秘都不算是大奧秘，那么還有第二個相關(guān)的奧秘。氣體脫離太陽之處，正好是溫度達(dá)到峰值之處。?？怂拐f：“如果你認(rèn)為太陽是一顆引力巨星，那么它就該把自己的所有材料把持住。然而，等離子體卻能夠脫離太陽，飛到各方，包裹所有行星?！边@又是為什么？

太陽風(fēng)主要由氫和氦組成。暴露了日冕超高溫之謎的鐵，實際上只占太陽風(fēng)成分的很小一部分。攜帶著太陽磁場的太陽風(fēng)，以大約160萬千米/小時的速度向太空噴發(fā)粒子流。太陽風(fēng)包圍行星。太陽風(fēng)在與地球碰撞時，極地天空閃耀驚人的極光。

冰火兩重天

天文學(xué)家說，太陽風(fēng)的加速開始于從太陽核起大約10倍于太陽半徑處?！芭量颂枴睂⒁竭_(dá)的正是這個位置，這里也是具有重要科學(xué)意義的地方。

在多次與太陽近距離相遇的過程中，“帕克號”將反復(fù)探測上述區(qū)域。它之所以能承受那里的極高溫，是因為一種創(chuàng)新的熱保護(hù)系統(tǒng)。這一熱盾由兩張碟片組成，這兩張碟片被一層碳泡沫分隔開。面朝太陽的碳泡沫層為白色，能反光。碳泡沫本身很輕，97%都是空氣。這種碳泡沫材料本身就是為“帕克號”研發(fā)的，它是讓“帕克號”任務(wù)得以實現(xiàn)所必需的幾項關(guān)鍵技術(shù)之一。碳泡沫厚度只有11厘米，在“帕克號”接近太陽的過程中碳泡沫將被加熱到大約1377℃。在熱保護(hù)系統(tǒng)的另一側(cè)，即飛行器所在位置，熱保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計目的是散熱，讓飛行器的溫度降至室溫，即大約21℃。

歐空局“太陽軌道器”的熱盾采取的是另一種策略，這是由于“太陽軌道器”要忍受溫度稍低但持續(xù)的加熱?！疤栜壍榔鳌泵媾R的最高溫大約是520℃，但它不會像“帕克號”那樣會前往金星軌道里降溫?！疤栜壍榔鳌钡臒岫懿皇前咨头垂獾?，而是漆黑的，這意味著該熱盾會吸熱，并且把熱量輻射回太空?！疤栜壍榔鳌钡臒岫苡筛采w一個保護(hù)層的鈦制成，這個保護(hù)層衍生于由燃燒過的動物骨骼制成的一種顏料。這種顏料是一種黑色磷酸鈣，它被廣泛用于肥料和金屬合金生產(chǎn)，還被用于從水中過濾重金屬。這個保護(hù)層讓“太陽軌道器”能在距離太陽60倍于太陽半徑處持續(xù)運(yùn)作。雖然這個距離比“帕克號”與太陽之間的最近距離要遠(yuǎn)一些，但這個相對遠(yuǎn)距離的選擇是有一定理由的：在這樣的距離仍然可以用望遠(yuǎn)鏡觀測太陽，再近一點就不行了。但“太陽軌道器”上面的望遠(yuǎn)鏡不會直視太陽，而是將觀測太陽的旁邊，拍攝太陽風(fēng)呼嘯而過的圖像。

“太陽軌道器”搭載的望遠(yuǎn)鏡等儀器，將觀測太陽表面不同波長的光，以便科學(xué)家確定太陽表面氣體密度、溫度和磁場?！疤栜壍榔鳌边€搭載了另一套儀器，它們能測量經(jīng)過“太陽軌道器”的太陽風(fēng)的密度、溫度和磁場。而“帕克號”的設(shè)計目的，是為了讓它能飛越太陽大氣的一些區(qū)域。在這些區(qū)域，氣體與太陽表面脫離、從而變成太陽風(fēng)。于是，通過共享“太陽軌道器”和“帕克號”的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家就能把太陽表面發(fā)生的不同事件、太陽風(fēng)開始興風(fēng)作浪之地和太陽風(fēng)下游狀況聯(lián)系起來。這正是參與調(diào)查太空天氣的科學(xué)家們夢寐以求的知識。簡言之，“太陽軌道器”將把太陽上發(fā)生的事情與太陽風(fēng)中發(fā)生的事情聯(lián)系起來。

預(yù)警很重要

就算只是為了滿足我們對太陽的好奇心，也已經(jīng)有足夠理由向太陽發(fā)射“帕克號”和“太陽軌道器”。但執(zhí)行這些任務(wù)還有重要的現(xiàn)實意義：保衛(wèi)地球上的我們。

除了創(chuàng)制艷麗的極光之外，太陽風(fēng)與地球磁場的相互作用還可能嚴(yán)重?fù)p害地球上的重要設(shè)施設(shè)備。1859年發(fā)生的“卡靈頓事件”是有記載的最大一次太陽風(fēng)暴。當(dāng)時的極光在全球2/3地區(qū)上空均可見，全球電報網(wǎng)絡(luò)癱瘓，指南針亂轉(zhuǎn)。今天，同等規(guī)模的太陽風(fēng)暴仍有可能嚴(yán)重影響衛(wèi)星導(dǎo)航、通信服務(wù)和供電網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)代社會的運(yùn)轉(zhuǎn)顯然離不開這些設(shè)備。然而，哪怕是現(xiàn)在最先進(jìn)的設(shè)備——美國宇航局的“先進(jìn)集成探索者號”飛行器，也只能提前30～60分鐘預(yù)警即將發(fā)生的強(qiáng)太陽風(fēng)暴。

一旦“帕克號”和“太陽軌道器”完成自己的使命，上述預(yù)警時間就可能提前到1～2天。這是因為太陽風(fēng)暴由太陽耀斑引發(fā)，太陽耀斑激發(fā)日冕物質(zhì)突然被噴射進(jìn)太陽風(fēng)。這一噴發(fā)通常需要一兩天時間才能穿越太空，因此，知道太陽風(fēng)從哪個方向發(fā)射，就能讓科學(xué)家算出任何來襲的太陽風(fēng)暴的強(qiáng)度，還可能給予我們更多時間來做準(zhǔn)備，保護(hù)任何重要的電子設(shè)備。

福克斯說：“‘帕克號和‘太陽軌道器將提供的探測數(shù)據(jù)，將大大提高太空天氣尤其是太陽風(fēng)暴預(yù)測模型的準(zhǔn)確度。幾年后，當(dāng)一場大規(guī)模太陽風(fēng)暴發(fā)生時，這些模型將準(zhǔn)確告訴我們地球可能遭到怎樣的襲擊。這兩項任務(wù)的時間架構(gòu)極其巧合，對我們來說也極其幸運(yùn)。兩艘探測器能夠聯(lián)袂，讓我非常興奮。這真的是太好太好！”

“帕克號”圖解

① 場實驗

直接測量太陽風(fēng)中的電磁場和波，并測量射電輻射的強(qiáng)度波動。

② 太陽集成科學(xué)調(diào)查

觀測高速加速電子、質(zhì)子和較重粒子，并把它們與太陽風(fēng)和日冕結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。

③ 寬視場成像儀

在太陽風(fēng)、激震和其他等離子體結(jié)構(gòu)接近和經(jīng)過“帕克號”的過程中，拍攝它們的圖像。

④ 熱保護(hù)系統(tǒng)

是一面厚度為11.43厘米的合成碳盾，它將承受飛行器外部接近1377℃的高溫。

⑤ 高增益天線

用于與地球之間的通信。它在“帕克號”接近太陽時向地球傳輸數(shù)據(jù)的速率大約為167KB/秒。雖然與現(xiàn)代寬帶速度無法相比，但這一傳輸發(fā)生在離地球很遠(yuǎn)的地方，所以實際上很了不起。

⑥ 太陽能電池板降溫系統(tǒng)

它在太陽強(qiáng)度為地球軌道水平475倍的情況下運(yùn)作。太陽能電池板由一部面積為2平方米的輻射器降溫，輻射器把廢熱排放到太空。

⑦ 太陽能電池板

盡管面積只有1.55平方米，“帕克號”的太陽能電池板在“帕克號”最接近太陽時的發(fā)電功率卻可達(dá)388瓦。

⑧ 太陽風(fēng)電子和質(zhì)子調(diào)查

計數(shù)太陽風(fēng)中數(shù)量最多的粒子，測量它們的速度、密度和溫度等特性。