帕克探測(cè)器：與太陽的“熾熱”約會(huì)

張?zhí)锟?/p>

（示意圖）在太陽外環(huán)飛的帕克探測(cè)器。

美國國家航空航天局（NASA）的帕克太陽探測(cè)器于美國東部時(shí)間8月12日凌晨3時(shí)31分，由美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的Delta-4重型火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空，開始進(jìn)行為期7年的追日之旅。此次探索，將是人造航天器首次最近距離抵達(dá)太陽的大氣層。

三大任務(wù)

為何要探索太陽？這是所有人的疑問。

追逐和探索太陽不僅有千難萬阻，而且風(fēng)險(xiǎn)特別大。帕克是一艘宇宙飛船，即航天器，造價(jià)15億美元，此次它的探訪太陽之旅要進(jìn)入太陽大氣層，但即便只是太陽表面，最低溫度也達(dá)到攝氏4500度，在此條件下，無論是肉身還是鋼筋鐵骨，還未進(jìn)入太陽大氣層，頃刻間就會(huì)化為灰燼。

所以，帕克不是觸摸太陽，更不是去親吻太陽，只不過是到太陽邊上觀望，而且有7年的漫長探測(cè)旅程。弄得不好，帕克也有可能被太陽的高溫吞噬。因此，這次人類的赴約注定不會(huì)浪漫和美艷，但卻非常有意義。

與太陽約會(huì)當(dāng)然要先了解太陽系中這個(gè)“老大哥”的現(xiàn)狀、外貌和內(nèi)涵，更要理解8大行星與這顆當(dāng)家恒星的關(guān)系;最重要的是，要了解這顆“老大哥”恒星對(duì)地球的影響，準(zhǔn)確地說，就是了解太陽如何作用和影響于地球上的人類和其他生物。

今天的人們并不滿足于地球萬物的生存只能依賴于陽光的照耀等常識(shí)，而是希望除了知道太陽的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)當(dāng)了解太陽的活動(dòng)?，F(xiàn)在，僅有關(guān)太陽活動(dòng)方面就有許多關(guān)注的熱點(diǎn)，例如太陽黑子、太陽耀斑、太陽風(fēng)、日冕物質(zhì)拋射、太陽磁場(chǎng)、星際磁場(chǎng)、磁波與行星軌道、太陽周期、黑子周期和太陽磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)周期等。

太陽活動(dòng)的這些熱點(diǎn)每一項(xiàng)都不僅影響地球與地球上的人和生物，也與銀河系和宇宙中的其他星球相互作用，從宏觀和微觀上或大或小或多或少地與人類的生活發(fā)生聯(lián)系。

按照NASA太陽物理研究所科學(xué)部門副主任阿力克謝·揚(yáng)（Alex Youg）的解釋，此次帕克探測(cè)器的任務(wù)主要有三個(gè)，一是探索太陽風(fēng)的速度，二是觀察太陽風(fēng)暴原理，三是了解日冕層的溫度為何如此高。這三項(xiàng)探索或研究是緊密聯(lián)系在一起的。而且，這些任務(wù)是建立在過去人們對(duì)太陽觀察和研究的礎(chǔ)之上的。

其中，探索太陽風(fēng)的速度就意義重大。太陽探測(cè)器帕克就是以美國已故天文學(xué)家、芝加哥大學(xué)教授尤金·帕克（Eugene Parker）的名字命名的。帕克在20世紀(jì)50年代提出了太陽風(fēng)理論，并預(yù)測(cè)帕克螺旋（Parker spiral）的存在。

2017年5月31日，在芝加哥大學(xué)舉辦的紀(jì)念帕克的會(huì)議中，NASA就宣布把太陽探測(cè)器+（Solar Probe Plus）的任務(wù)改命名為帕克太陽探測(cè)（Parker Solar Probe）。過去，人們初步了解到，太陽風(fēng)是由太陽“吹出”的粒子流，它的加熱加速與日冕的加熱問題聯(lián)系在一起是空間物理的重大課題之一。

盡管人們把預(yù)言太陽風(fēng)的存在歸功于帕克，但帕克本人并不如此認(rèn)為，因?yàn)樗?958年提出太陽風(fēng)概念以前，已經(jīng)有太陽風(fēng)存在的證據(jù)。

20世紀(jì)初，挪威科學(xué)家伯克蘭（Kristian Birkeland）就提出地球的極光是由來自太陽連續(xù)的粒子流引起，后來德國科學(xué)家比爾曼（Ludwig Biermann）對(duì)彗尾的逆太陽方向現(xiàn)象（無論彗星運(yùn)動(dòng)方向是朝向太陽還是遠(yuǎn)離太陽，其尾部總是指向遠(yuǎn)離太陽的方向）開展相關(guān)研究，推測(cè)是太陽吹出來的穩(wěn)定的粒子流壓迫彗尾產(chǎn)生了這個(gè)現(xiàn)象，而且粒子流沿著太陽徑向從各個(gè)方向流出，速度在500-1500千米/秒。比爾曼推測(cè)的這個(gè)速度直到今天都被認(rèn)為是比較靠譜的，但是還是需要帕克號(hào)太陽探測(cè)器的實(shí)證研究來證實(shí)。

專家們檢測(cè)待飛的帕克探測(cè)器。

后來，帕克的博士論文導(dǎo)師、加州理工大學(xué)教授戴維斯（Leverctt Davis）又在1955年提出，是“太陽微粒輻射”把恒星際介質(zhì)推出去，在太陽周圍形成以太陽微粒為主的空間。所以，太陽風(fēng)在過去稱為太陽微粒，帕克的貢獻(xiàn)是，第一次提出太陽微粒是一種粒子流，是一種流體模型，并在1958年提出這一流體模型時(shí)，把它稱為太陽風(fēng)，這個(gè)術(shù)語和概念沿用至今。

與太陽風(fēng)密切相關(guān)的就是太陽風(fēng)暴，因?yàn)橐话闾栵L(fēng)的能量爆發(fā)來自于太陽耀斑或其他被稱為“太陽風(fēng)暴”的氣候現(xiàn)象。太陽風(fēng)暴是太陽大氣中發(fā)生的持續(xù)時(shí)間短暫、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象，主要通過增強(qiáng)的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等三種形式釋放。之后可以引發(fā)地球空間高能電子暴、熱等離子體注入、電離層暴、高層大氣密度增加等多種空間環(huán)境擾動(dòng)事件，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行、導(dǎo)航通信和地面系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的影響。

日冕是太陽大氣的最外層，厚度達(dá)到幾百萬千米以上。日冕層的溫度極高，可達(dá)100萬-200萬攝氏度。同時(shí)日冕上有冕洞，冕洞是太陽風(fēng)的風(fēng)源。所以，太陽風(fēng)、太陽風(fēng)暴和日冕層是密切相關(guān)的。

太陽是如此熾熱，任何對(duì)它有親近舉動(dòng)的人和物體都會(huì)頃刻間被熱化，因?yàn)樗拇髿鈱又凶畹蜏囟纫部赡苓_(dá)到4500攝氏度。那么，帕克太陽探測(cè)器如何才能接近太陽，或進(jìn)入太陽的大氣層？

逐日七年

太陽的結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外分為核心、輻射區(qū)、對(duì)流層、光球?qū)印⑸驅(qū)?、日冕層，后三層則構(gòu)成了太陽的大氣層。然而，太陽的高溫在大氣層中的分布并非依據(jù)從內(nèi)向外遞減的原則。太陽大氣的最低溫度攝氏4500度只不過是色球?qū)舆吘壍臏囟?，然而到了最外層的日冕層的底層邊界，溫度可達(dá)到攝氏100萬-200萬度。

因此，如果帕克太陽探測(cè)器要進(jìn)入太陽的大氣層，必須要經(jīng)受高溫“烤”驗(yàn)。對(duì)此，NASA作了兩方面的設(shè)計(jì)。一是與太陽保持適當(dāng)?shù)木嚯x，二是帕克太陽探測(cè)器的耐熱設(shè)備和儀器。

為了避免太陽的高溫，探測(cè)器與太陽的距離一直在進(jìn)行理論調(diào)試和實(shí)際操作。

帕克并非是人類第一個(gè)與太陽約會(huì)的飛船，此前人類共發(fā)射了15個(gè)太陽探測(cè)器，最逼近太陽的是1976年德國發(fā)射的“太陽神2號(hào)”，距離太陽2700萬英里（約4345萬千米）。這次帕克的飛行軌道距離太陽更近，預(yù)計(jì)在2024年帕克飛行到離太陽最近，這時(shí)距太陽380萬英里（約611萬千米），因此比以前最接近太陽的飛船還要近7倍，所以會(huì)遭遇更高更強(qiáng)的高溫和輻射。

為了應(yīng)對(duì)高溫的輻射，讓探測(cè)器上的儀器能正常工作，NASA研究人員進(jìn)行了精確計(jì)算和設(shè)計(jì)耐熱裝備。帕克進(jìn)入日冕后，面向太陽的那一面將僅升溫到約1400.攝氏度，但是，帕克太陽探測(cè)器包裹了厚約11.45厘米的隔熱罩，由輕質(zhì)碳復(fù)合泡沫制成，表面涂有白色陶瓷涂料，可反射盡可能多的陽光，使探測(cè)器內(nèi)部的溫度可維持在30攝氏度左右。

此外，一些儀器也是耐高溫的，例如帕克探測(cè)器中的傳感器“法拉第杯”，用來測(cè)量太陽風(fēng)中離子和電子的相關(guān)數(shù)據(jù)。“法拉第杯”由鉬合金制成，熔點(diǎn)高達(dá)2349攝氏度，為它產(chǎn)生電場(chǎng)的芯片由鎢制成，熔點(diǎn)高達(dá)3422攝氏度，并且“法拉第杯”并沒有放置于隔熱罩后。同時(shí)，帕克的飛行角度由軟件控制，可確保隔熱罩后的儀器設(shè)備不會(huì)面向熱源，保持儀器在合適的溫度下工作。

另外，帕克探測(cè)器上還裝載有一些高溫保護(hù)機(jī)制，例如在隔熱罩陰影的邊緣安裝了多個(gè)傳感器，一旦某個(gè)傳感器探測(cè)到陽光，便會(huì)通知中央電腦，帕克探測(cè)器會(huì)馬上自動(dòng)糾正姿勢(shì)，確保內(nèi)部?jī)x器安全。

問題是，帕克號(hào)將是第一架飛經(jīng)太陽大氣層中的日冕層的飛船，日冕層的溫度更高，能否經(jīng)受住高溫“烤”驗(yàn)，需要未來的進(jìn)行驗(yàn)證。不過，NASA的解釋是，日冕溫度當(dāng)然特別高，但因?yàn)槲镔|(zhì)密度低，可導(dǎo)熱粒子稀少，對(duì)航天器高溫影響并沒有想象中那么火，這相當(dāng)于人們將手放到了烤箱里面，但只要不接觸到任何一個(gè)表面，就不會(huì)被灼傷。帕克進(jìn)入日冕后，面向太陽的那一面也不過上升到約1400攝氏度，但是帕克的隔熱罩能有效地隔離太陽的高溫。

為了完成探索太陽風(fēng)的速度、觀察太陽風(fēng)暴原理和了解日冕層的溫度為何如此高，帕克搭載了幾種儀器，一是記錄太陽風(fēng)中粒子速度、密度和溫度等數(shù)據(jù)的“太陽風(fēng)電子、阿爾法射線和質(zhì)子探測(cè)器”（SWEAP），其中就采用了法拉第杯來捕捉太陽風(fēng)中的帶電粒子。

二是測(cè)量日冕電場(chǎng)和磁場(chǎng)的FIELDS，是一臺(tái)太陽電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠?qū)μ柎髿鈱又械碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，以幫助科學(xué)家了解電磁場(chǎng)如何與組成太陽的等離子體物質(zhì)，以及太陽風(fēng)之間發(fā)生相互作用。

三是直接給太陽日冕拍照的廣角成像儀WISPR，它將拍攝沿途飛過區(qū)域的圖像，以幫助研究人員對(duì)其他設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像校準(zhǔn)，并對(duì)太陽耀斑爆發(fā)等進(jìn)行監(jiān)測(cè);四是測(cè)量粒子能量及種類的“太陽整合科學(xué)探測(cè)儀”（ISIS），可以幫助科學(xué)家揭開太陽風(fēng)加速的謎團(tuán)。

另外，為了讓帕克順利抵達(dá)太陽邊緣，NASA將帕克設(shè)計(jì)為人類有史以來飛行速度最快的航天器。帕克探測(cè)器需要抵抗地球太陽之間的引力，借用金星的引力，逐漸接近太陽。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的帕克太陽探測(cè)器項(xiàng)目科學(xué)家尼科拉·福克斯（Nicola Fox）表示，帕克探測(cè)器將以時(shí)速43萬英里（約69萬千米）的速度穿越太陽外日冕層，是“移動(dòng)速度最快的人造物體”，相當(dāng)于從華盛頓起飛，不到1分鐘的時(shí)間里就能到達(dá)東京。

帕克探測(cè)器預(yù)計(jì)于2018年10月份抵達(dá)金星軌道，探測(cè)器將在11月初啟動(dòng)第一圈繞日飛行，地球上最快將于2018年12月收到第一批對(duì)日探測(cè)信息，帕克的第二圈飛行需要等到2019年5月，帕克探日任務(wù)預(yù)計(jì)2025年6月結(jié)束，在7年的逐日任務(wù)中，探測(cè)器將繞日飛行24圈。隨著帕克繞日飛行圈數(shù)增加，獲得的研究結(jié)果也會(huì)越多。

也許，經(jīng)過7年或要不了7年的探索，人們就會(huì)逐漸了解太陽風(fēng)形成和日冕物質(zhì)拋射、太陽風(fēng)中的粒子如何獲得加速度，以及為何日冕溫度遠(yuǎn)高于太陽表面的溫度之謎。當(dāng)這些問題有了答案之后，也就能幫助人們預(yù)測(cè)和防止太空風(fēng)暴干擾地球上的電網(wǎng)和通訊，以及預(yù)防太陽風(fēng)暴導(dǎo)致危險(xiǎn)氣候等。

不過，此次帕克與太陽約會(huì)之旅的最大意義在于，突破了過去天文學(xué)只靠遠(yuǎn)距離觀察天體和宇宙的局限，而是可以近距離用科學(xué)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)等實(shí)證研究。