太陽任務

劉安立 劉聲遠等

地球人的探測器已經造訪過冥王星和太陽系邊緣地帶。火星車正在紅色火星表面游走。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——

當太陽風“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裝置。美國科學院最近進行的一項研究發現，如果沒有提前預警的話，攜帶太陽風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，而且要想迅速挽回損失是不可能的。該研究發現，巨型太陽耀斑會重創發電站，導致美國東海岸地區停電達一年之久。在太陽風面前，歐洲同樣不堪一擊。盡管巨大太陽風幾百年才會出現一次，小型太陽風卻頻頻出現。大多數小型太陽風暴的破壞力并不大，但依然有明顯破壞力。例如，1989年3月，一次小型太陽風暴重創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，發生于西方萬圣節期間的一系列小型太陽風暴，導致美國宇航局超過半數的人造衛星出現各種故障。飛機不得不改道以離開極地上空，目的是避開與強烈激光有關的大量輻射。

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代太空時代之前的19世紀。1869年8月7日，天文學家聚集在俄羅斯和北美洲，觀測一次日全食。在數分鐘的黑暗里，科學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。對當時的天文學家來說，日冕是他們夢寐以求的東西。其中兩位天文學家——查爾斯·揚和威廉·哈克尼斯使用光譜儀，把日冕光的波長細分。他們知道，不同的化學元素受到外在能量激發時發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組成。他們各自獨立地發現了一條波長為530.3納米的綠色光譜線。這在當時引起極大的轟動，因為沒有任何已知化學物對應這一波長，所以這兩位天文學家以為自己發現了一種新元素。他們把它命名為癚（dàn）。

事實上，揚和哈克尼斯的推測是錯誤的。但直到20世紀30年代，科學家才明白了其中的原因。天體物理學家沃爾特·格羅特里安和本吉特·艾德倫通過實驗室研究發現，鐵能夠發出那種綠光，但前提是鐵被加熱到300萬℃，從而被轉換成一種帶電氣體——等離子體。但這一認識引出了一個真正的奧秘：是什么機制在把日冕加熱到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”任務團隊項目工程師、美國約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室科學家福克斯說：“（日冕超高溫）簡直顛覆了物理學和自然規律。日冕溫度奇高就好比水往高處流。按理說，越遠離熱源溫度越低。日冕區域到底發生了什么，以至于把日冕物質升溫到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的奧秘。氣體脫離太陽之處，正好是溫度達到峰值之處。福克斯說：“如果你認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。”這又是為什么？

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

冰火兩重天

天文學家說，太陽風的加速開始于從太陽核起大約10倍于太陽半徑處。“帕克號”將要到達的正是這個位置，這里也是具有重要科學意義的地方。

在多次與太陽近距離相遇的過程中，“帕克號”將反復探測上述區域。它之所以能承受那里的極高溫，是因為一種創新的熱保護系統。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”研發的，它是讓“帕克號”任務得以實現所必需的幾項關鍵技術之一。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℃。在熱保護系統的另一側，即飛行器所在位置，熱保護系統的設計目的是散熱，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的加熱。“太陽軌道器”面臨的最高溫大約是520℃，但它不會像“帕克號”那樣會前往金星軌道里降溫。“太陽軌道器”的熱盾不是白色和反光的，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。“太陽軌道器”的熱盾由覆蓋一個保護層的鈦制成，這個保護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，還被用于從水中過濾重金屬。這個保護層讓“太陽軌道器”能在距離太陽60倍于太陽半徑處持續運作。雖然這個距離比“帕克號”與太陽之間的最近距離要遠一些，但這個相對遠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鏡觀測太陽，再近一點就不行了。但“太陽軌道器”上面的望遠鏡不會直視太陽，而是將觀測太陽的旁邊，拍攝太陽風呼嘯而過的圖像。

“太陽軌道器”搭載的望遠鏡等儀器，將觀測太陽表面不同波長的光，以便科學家確定太陽表面氣體密度、溫度和磁場。“太陽軌道器”還搭載了另一套儀器，它們能測量經過“太陽軌道器”的太陽風的密度、溫度和磁場。而“帕克號”的設計目的，是為了讓它能飛越太陽大氣的一些區域。在這些區域，氣體與太陽表面脫離、從而變成太陽風。于是，通過共享“太陽軌道器”和“帕克號”的觀測數據，科學家就能把太陽表面發生的不同事件、太陽風開始興風作浪之地和太陽風下游狀況聯系起來。這正是參與調查太空天氣的科學家們夢寐以求的知識。簡言之，“太陽軌道器”將把太陽上發生的事情與太陽風中發生的事情聯系起來。

預警很重要

就算只是為了滿足我們對太陽的好奇心，也已經有足夠理由向太陽發射“帕克號”和“太陽軌道器”。但執行這些任務還有重要的現實意義：保衛地球上的我們。

除了創制艷麗的極光之外，太陽風與地球磁場的相互作用還可能嚴重損害地球上的重要設施設備。1859年發生的“卡靈頓事件”是有記載的最大一次太陽風暴。當時的極光在全球2/3地區上空均可見，全球電報網絡癱瘓，指南針亂轉。今天，同等規模的太陽風暴仍有可能嚴重影響衛星導航、通信服務和供電網絡，而現代社會的運轉顯然離不開這些設備。然而，哪怕是現在最先進的設備——美國宇航局的“先進集成探索者號”飛行器，也只能提前30～60分鐘預警即將發生的強太陽風暴。

一旦“帕克號”和“太陽軌道器”完成自己的使命，上述預警時間就可能提前到1～2天。這是因為太陽風暴由太陽耀斑引發，太陽耀斑激發日冕物質突然被噴射進太陽風。這一噴發通常需要一兩天時間才能穿越太空，因此，知道太陽風從哪個方向發射，就能讓科學家算出任何來襲的太陽風暴的強度，還可能給予我們更多時間來做準備，保護任何重要的電子設備。

福克斯說：“‘帕克號和‘太陽軌道器將提供的探測數據，將大大提高太空天氣尤其是太陽風暴預測模型的準確度。幾年后，當一場大規模太陽風暴發生時，這些模型將準確告訴我們地球可能遭到怎樣的襲擊。這兩項任務的時間架構極其巧合，對我們來說也極其幸運。兩艘探測器能夠聯袂，讓我非常興奮。這真的是太好太好！”

“帕克號”圖解

① 場實驗

直接測量太陽風中的電磁場和波，并測量射電輻射的強度波動。

② 太陽集成科學調查

觀測高速加速電子、質子和較重粒子，并把它們與太陽風和日冕結構聯系起來。

③ 寬視場成像儀

在太陽風、激震和其他等離子體結構接近和經過“帕克號”的過程中，拍攝它們的圖像。

④ 熱保護系統

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據的速率大約為167KB/秒。雖然與現代寬帶速度無法相比，但這一傳輸發生在離地球很遠的地方，所以實際上很了不起。

⑥ 太陽能電池板降溫系統

它在太陽強度為地球軌道水平475倍的情況下運作。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”最接近太陽時的發電功率卻可達388瓦。

⑧ 太陽風電子和質子調查

計數太陽風中數量最多的粒子，測量它們的速度、密度和溫度等特性。