帕克：解開(kāi)太陽(yáng)的千古謎題

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▲帕克太陽(yáng)探測(cè)器

在我們的常識(shí)中，距離火堆、爐子這樣的熱源越遠(yuǎn)，溫度就會(huì)越低。太陽(yáng)釋放的能量來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變，從太陽(yáng)內(nèi)部到太陽(yáng)光球，溫度逐漸降低。然而從光球到日冕，隨著距離的增加，溫度非但沒(méi)有降低，反而飆升到了數(shù)百萬(wàn)攝氏度。這種反?，F(xiàn)象的原因困擾了科學(xué)家們半個(gè)多世紀(jì)。此外，太陽(yáng)風(fēng)從日冕附近開(kāi)始被逐步加速，最終達(dá)到超音速狀態(tài)，其中發(fā)生的物理過(guò)程仍沒(méi)有搞清。在尤金·帕克教授發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)后的60年中，人們提出了復(fù)雜而豐富的理論來(lái)解釋太陽(yáng)風(fēng)加速和日冕加熱的物理機(jī)制，形成了好幾個(gè)理論流派，但誰(shuí)也無(wú)法說(shuō)服誰(shuí)。

造成這一現(xiàn)象的原因是，人們目前只能使用遙感觀(guān)測(cè)的方式遙望日冕，通過(guò)接收到的可見(jiàn)光、極紫外和射電等波段的信號(hào)反推日冕中的性質(zhì)，其中引入的分析方法和物理模型帶來(lái)了分析結(jié)果的不確定性。同時(shí)，遙測(cè)信號(hào)給出的是觀(guān)察者視線(xiàn)方向上所有點(diǎn)物理過(guò)程的疊加效應(yīng)，并不能準(zhǔn)確反映某一點(diǎn)的自身的情況。為了能夠徹底解決太陽(yáng)風(fēng)加熱加速機(jī)制問(wèn)題，科學(xué)家們提出了一個(gè)抵近太陽(yáng)的觀(guān)測(cè)任務(wù)計(jì)劃。在這個(gè)任務(wù)中，一個(gè)探測(cè)器將運(yùn)行在環(huán)繞太陽(yáng)的大橢圓軌道上，逐漸降低自己距離太陽(yáng)的距離，最終到達(dá)日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速過(guò)程真正發(fā)生的地方，進(jìn)行就地探測(cè)，獲得關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)起源的最“鮮活”的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。這個(gè)探測(cè)器，一開(kāi)始被命名為“太陽(yáng)探測(cè)器”（Solar Probe），后來(lái)又被升級(jí)成了“太陽(yáng)探測(cè)器加強(qiáng)版”(Solar Probe Plus)。后來(lái)，美國(guó)宇航局又決定改掉這個(gè)探測(cè)器的名字，以太陽(yáng)風(fēng)發(fā)現(xiàn)者帕克的名字命令了它，即“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”（Parker Solar Probe）。

▲帕克教授在帕克太陽(yáng)探測(cè)器的命名儀式上

功能豐富的科學(xué)探測(cè)儀器

在日冕中，既有兩端都位于太陽(yáng)表面的環(huán)狀磁力線(xiàn)，又有一端位于太陽(yáng)表面，而另一端向遠(yuǎn)處的太空延伸的開(kāi)放磁力線(xiàn)。由于構(gòu)成太陽(yáng)風(fēng)的等離子體有著“磁場(chǎng)凍結(jié)”的效應(yīng)，不能穿越磁力線(xiàn)流動(dòng)，且在日冕中磁場(chǎng)能遠(yuǎn)大于太陽(yáng)風(fēng)的內(nèi)能，因此穩(wěn)定的環(huán)狀磁力線(xiàn)會(huì)將等離子體牢固的“禁錮”在太陽(yáng)表面，而太陽(yáng)風(fēng)只能沿著開(kāi)放磁力線(xiàn)流向太空之中。總之，在日冕中，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的形成對(duì)太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要，而日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的能量也來(lái)自于磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換。要搞清太陽(yáng)風(fēng)的秘密，就要對(duì)磁場(chǎng)及與磁場(chǎng)演化緊密相關(guān)的電場(chǎng)、坡印廷矢量等物理量進(jìn)行實(shí)地探測(cè)。在帕克太陽(yáng)探測(cè)器中，這個(gè)任務(wù)由FIELD儀器完成。這臺(tái)儀器由兩個(gè)磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、一臺(tái)搜索線(xiàn)圈磁強(qiáng)計(jì)和五個(gè)電壓傳感器構(gòu)成。從外觀(guān)上看，這臺(tái)儀器最顯著的特征就是帕克太陽(yáng)探測(cè)器周?chē)斐龅睦瓧U天線(xiàn)。

而對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)本身的密度、速度、溫度等性質(zhì)的就地探測(cè)，則由SWEAP儀器完成。我們知道，處于固體、氣體和液體狀態(tài)的物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的，帶負(fù)電荷的電子被束縛在帶正電荷的離子周?chē)?，向圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星一樣圍圍繞在離子附近運(yùn)動(dòng)。然而，如果電子獲得了非常高的能量，就可以?huà)昝撾x子的束縛，在物質(zhì)中自由移動(dòng)，就形成了“等離子體”。太陽(yáng)風(fēng)是一種等離子體，除了被電離的電子外，含量最高的氫離子，也即質(zhì)子。此外，最早從太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)的元素氦，在太陽(yáng)風(fēng)中的含量也比較高。因此，SWEAP儀器能夠探測(cè)的粒子即為電子、氫離子和氦離子。

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，有一些粒子將被加速到非常高的能量狀態(tài)，傳播到地球后將對(duì)衛(wèi)星的安全運(yùn)行和航天員的身體健康產(chǎn)生威脅。在帕克太陽(yáng)探測(cè)器上，ISIS儀器的功能就是探測(cè)這些高能粒子在日冕中的產(chǎn)生和加速過(guò)程。ISIS由EPI-Hi和EPI-Lo兩臺(tái)獨(dú)立的裝置構(gòu)成，分別測(cè)量能量相對(duì)較高和相對(duì)較低的高能電子、質(zhì)子和重離子，探測(cè)的能量范圍從數(shù)十千電子伏特到100兆電子伏特。

離得越近，就能越清楚地分辨出物體的細(xì)節(jié)，這是我們每個(gè)人都具備的生活常識(shí)。除了三臺(tái)局地探測(cè)儀器外，帕克太陽(yáng)探測(cè)器還裝備了一臺(tái)進(jìn)行成像遙感觀(guān)測(cè)的WISPR儀器。這臺(tái)儀器能夠在可見(jiàn)光波段對(duì)太陽(yáng)風(fēng)、激波和其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像觀(guān)測(cè)。局地觀(guān)測(cè)帶給科學(xué)家的是物理量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，而這臺(tái)儀器則可以為科學(xué)家們提供各種結(jié)構(gòu)的直觀(guān)圖像，使他們能夠在宏觀(guān)上掌握某種結(jié)構(gòu)的變化。

▲“帕克”進(jìn)整流罩

帕克太陽(yáng)探測(cè)器裝備的儀器雖然各有側(cè)重，但也能互相“幫助”，共同完成某個(gè)參數(shù)的測(cè)量。例如，磁場(chǎng)的強(qiáng)度由FIELD儀器測(cè)量，而磁場(chǎng)的方向既可以由FIELD的電場(chǎng)磁場(chǎng)和SWEAP的速度測(cè)量共同推出，也可以由SEWAP儀器或ISIS/EPI-Lo儀器的電子投擲角方向數(shù)據(jù)得到。等離子體密度除了可以由SWEAP儀器直接測(cè)量外，還可以由FIELDS儀器測(cè)量到的等離子體波動(dòng)參數(shù)或ISIS/EPI-Lo儀器測(cè)量到的角分布確定。這些儀器間的功能重疊為帕克太陽(yáng)探測(cè)器科學(xué)探測(cè)目標(biāo)的完成提供了冗余備份。萬(wàn)一某個(gè)儀器在工作過(guò)程中意外失效，其他儀器的探測(cè)可以對(duì)失效的功能提供一定的補(bǔ)償。

▲發(fā)射帕克太陽(yáng)探測(cè)器的德?tīng)査蘒V重型火箭

前所未有的飛行軌道

帕克太陽(yáng)探測(cè)器升空后，將進(jìn)入一條環(huán)繞太陽(yáng)的大橢圓軌道。一開(kāi)始，這條軌道的近日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離為35Rs（Rs為太陽(yáng)半徑，1Rs約為70萬(wàn)公里），也即0.16AU（AU為天文單位，1AU約為1億5千萬(wàn)公里），遠(yuǎn)日點(diǎn)則在1AU左右。通過(guò)金星的借力飛行，帕克太陽(yáng)探測(cè)器將不斷降低自己的軌道高度。在歷經(jīng)24軌飛行、進(jìn)行7次金星的借力飛行后，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在7年后會(huì)最終將自己的軌道高度降低到9個(gè)太陽(yáng)半徑以下，在最后的3軌飛行中實(shí)現(xiàn)科學(xué)家們對(duì)日冕進(jìn)行抵近探測(cè)的目標(biāo)。進(jìn)入這條前所未有的軌道需要強(qiáng)大的發(fā)射能力。帕克太陽(yáng)探測(cè)器選擇了美國(guó)的德?tīng)査蘒V型重型火箭作為發(fā)射載具。在今年2月獵鷹重型火箭首飛之前，它是現(xiàn)役火箭中運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。此外，為了完成較為復(fù)雜的入軌操作，發(fā)射過(guò)程中還將使用STAR-48B上面級(jí)。

▲帕克太陽(yáng)探測(cè)器任務(wù)的標(biāo)志

在此前7年靠近太陽(yáng)的飛行中，探測(cè)器也不會(huì)閑著，因?yàn)樘?yáng)風(fēng)性質(zhì)隨著半徑的增加而發(fā)生的變化本身就是一個(gè)非常重要的科學(xué)問(wèn)題。在每一軌的飛行中，探測(cè)器的科學(xué)探測(cè)主要在于太陽(yáng)的距離小于0.25AU時(shí)進(jìn)行。在距離太陽(yáng)比較近時(shí)，探測(cè)器與地球的通信能力有限，只能下傳飛船工作狀態(tài)的有限信息，因此獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)暫存在飛船自身的存儲(chǔ)器中。探測(cè)器逐漸靠近遠(yuǎn)日點(diǎn)，與太陽(yáng)的距離大于0.25AU時(shí)，地面將與探測(cè)器恢復(fù)較為通暢的通信?？刂迫藛T可以利用這段時(shí)間收集探測(cè)器上存儲(chǔ)的科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)探測(cè)器的飛行姿態(tài)和飛行軌道進(jìn)行修正，同時(shí)上傳在下一次科學(xué)探測(cè)中需要自動(dòng)執(zhí)行的一些指令。在這段時(shí)間里，探測(cè)器只會(huì)在供電條件允許和其他工作空閑的情況下進(jìn)行有限的科學(xué)探測(cè)。

▲帕克太陽(yáng)探測(cè)器進(jìn)入德?tīng)査蘒V型重型火箭第二級(jí)中

神奇的保護(hù)屏障

帕克太陽(yáng)探測(cè)器在太陽(yáng)附近工作時(shí)，承受的太陽(yáng)輻射是地球附近的500倍。為了使探測(cè)器不被太陽(yáng)“烤熟”，工程師們利用碳復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)罩。在工作過(guò)程中，這個(gè)厚度僅有11.43厘米的保護(hù)罩朝向太陽(yáng)的一面最高溫度可達(dá)1400攝氏度左右，但在它的保護(hù)下，探測(cè)器的工作環(huán)境溫度僅有29攝氏度，比北京的夏天還要涼快。而日冕中的太陽(yáng)風(fēng)的溫度雖然高達(dá)數(shù)百萬(wàn)度，但由于太陽(yáng)風(fēng)的密度極低，不會(huì)對(duì)探測(cè)器的正常工作造成影響。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器依靠太陽(yáng)能電池板為探測(cè)器提供電能。按照常理，太陽(yáng)光照越充足，就能為探測(cè)器提供越多的供電。然而，當(dāng)探測(cè)器與太陽(yáng)的距離太近時(shí)，過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)輻射將會(huì)損壞太陽(yáng)能電池板。為了確保安全工作，太陽(yáng)能電池板采用了可調(diào)節(jié)的朝向設(shè)置。在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能電池板會(huì)像鳥(niǎo)兒收起翅膀一樣向后收縮，將更多的部分隱藏在保護(hù)罩之后，只露出尖端的一小部分；而當(dāng)遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)，電池板則又像鳥(niǎo)兒張開(kāi)翅膀一樣，從保護(hù)罩后面探出以提供充足的供電。在太陽(yáng)能電池板上，裝備了由鈦合金支撐的水冷系統(tǒng)，能夠及時(shí)帶走積聚的熱量。即便在最嚴(yán)酷的太陽(yáng)輻射下，水冷系統(tǒng)也能將太陽(yáng)能電池板的溫度保持在150度左右。

▲廠(chǎng)房中的帕克太陽(yáng)探測(cè)器

▲貯存了1137202人名字的存儲(chǔ)卡

▲廠(chǎng)房中的帕克太陽(yáng)探測(cè)器

相關(guān)鏈接：

把名字送上太陽(yáng)

▲發(fā)射前，帕克太陽(yáng)探測(cè)器開(kāi)展了“把名字送上太陽(yáng)”的科普活動(dòng)，參與者可以獲得一張“登機(jī)牌”，參與者的姓名將被寫(xiě)在帕克太陽(yáng)探測(cè)器的存儲(chǔ)器上

為了提高公眾的參與度，提高帕克太陽(yáng)探測(cè)器的影響力，負(fù)責(zé)探測(cè)器研發(fā)的美國(guó)宇航局和約翰斯·霍普金斯大學(xué)在今年3月舉辦了“將名字送上太陽(yáng)“的活動(dòng)?；顒?dòng)的參與者只需在線(xiàn)注冊(cè)，就可以得到一張去往太陽(yáng)的“登機(jī)牌”。而登記者的名字也會(huì)被存入一張存儲(chǔ)卡中，由帕克太陽(yáng)探測(cè)器攜帶升空。在活動(dòng)中，美國(guó)宇航局還特別邀請(qǐng)了電影《星際迷航》中飾演詹姆斯·柯克艦長(zhǎng)的威廉·夏特納（William Shatner）做為該活動(dòng)的代言人，以吸引更多的參與者。在4月27日活動(dòng)結(jié)束時(shí)，總共有1137202人參與到了活動(dòng)中。