沖向太陽的探測器

苗千

在升空8天之后，帕克太陽探測器在2018年8月20日啟動了自身的引擎。這次“近乎完美”的長達7分鐘的第一階段軌道修正操作至關重要，探測器通過引擎提供的動力修正了自己的軌道，然后義無反顧地向太陽飛去。

為了擺脫地球重力的影響，想要把這個600多公斤重、一輛小汽車大小的帕克太陽探測器送上軌道，需要比發射火星探測器多出55倍的發射能量。雖然發射數次被推遲，帕克太陽探測器仍在2018年8月12日由一架巨大的德爾塔-4重型運載火箭送上了天空。這個讓科學家們花費了數十年，耗資15億美元的科學項目終于進入了一個全新的階段。

與人類此前絕大多數的太空探測項目不同，帕克太陽探測器的目標是距離地球最近的恒星——太陽。這也是美國航空航天局（NASA）“與日共存”科學項目的一部分，近距離探測太陽的活動，試圖理解恒星的運行機制，以及它可能對人類社會造成的各種影響。

“讓我們看看那里都有什么”

觀看帕克探測器升上天空的人群中有一個特殊的老人，他就是著名的天體物理學家尤金·帕克，正是他在大約60年前首先提出了“太陽風”的概念以解釋太陽的一系列謎團。如今發射的探測器正是以他的名字命名，這也是美國航空航天局首次以一位在世的科學家命名航天器。帕克在1958年第一次提出了直接探測太陽風的設想，并留下了一句名言：“讓我們看看那里都有什么?！边@句話如今被刻在了帕克太陽探測器的一個銘牌上奔向太陽。

在太空中，調整了航向的帕克太陽探測器正在以超過每小時6.1萬公里的速度向太陽前進，而且它還將不斷加速，最終會達到創紀錄的相對于太陽每小時70萬公里的速度，這也將創造人類制造的飛行器的速度紀錄。除了速度之外，帕克探測器還將創下距離太陽最近的人類探測器的新紀錄。此前，德國和NASA聯合研制的“太陽神2號”探測器曾經在1976年創下了距離太陽4300萬公里的紀錄。順利的話，帕克探測器將把這個紀錄一舉提高7倍。它將在2024年抵達距離太陽只有610萬公里的近日點（地球與太陽的平均距離大約為1.5億公里）。

按照計劃，帕克探測器會在2018年10月3日第一次飛臨金星，并且利用金星的引力場進行減速和調整航向，為它在2018年11月5日第一次到達距離太陽1500萬公里的近日點，并且在接下來的12月開始向地球發送探測數據做準備。這將僅僅是一個為期7年的太陽探測項目的開頭。按照計劃，帕克太陽探測器將會7次飛臨金星，利用其重力場調整航向，并且24次圍繞著太陽進行探測，每一次它都會探測太陽大氣層一個完全不同的區域，為地球發送各種探測數據和照片。這將是解開困擾了人類上百年的有關太陽的各種科學難題至關重要的一步，必將為人類對太陽的理解帶來革命性的影響。

對一個臨近的天體發射探測器進行近距離探測，聽上去順理成章，但是相比于其他天體，對太陽進行近距離探測的困難顯而易見——這個距離地球最近的，也是人類唯一有可能探測的恒星無時無刻不在釋放巨大的能量，不加防范地妄圖接近只會被燒成灰燼。正因為如此，這次耗費了科學家們數十年努力的科學探測，為了能使探測器盡量接近太陽，保護它最大限度地不受太陽熱量的干擾而正常工作，是最需要解決的工程問題。

約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室為探測器設計了一套熱保護系統，使它能夠在極端條件下工作。探測器需要在幾十萬攝氏度的環境中進行工作，這之所以能實現，是因為雖然在這個區域的溫度極高，但是因為太陽系內的空間物質密度極低，能夠向探測器的熱保護系統傳遞能量的高能粒子的數量并不太多。根據科學家的計算，在幾十萬攝氏度的環境中航行，探測器朝向太陽一面的溫度大約會達到1400攝氏度。這樣的溫度對于一個精密的科學探測器來說仍然極其危險，而在一個直徑大約2.4米、厚11.5厘米的熱盾的保護下，探測器自身則可以維持在30攝氏度左右正常工作。在測試過程中，這個熱保護系統可以承受1600攝氏度以上的高溫，足以保障探測器的正常運行。

問題在于，并不是帕克探測器的所有科學儀器都會躲在熱盾的后邊工作。它用來收集來自太陽風的各種粒子樣本的儀器在工作時就需要伸出熱盾之外，它還需要在高溫環境中能夠測量和讀取太陽風中電子和離子的流量和飛行角度，這需要特殊的材料和設計。這一部分的探測設備由鉬鋯鈦合金材料制成，這種特殊材料的熔點可以達到2300攝氏度以上。除此之外，熱保護系統還使用了大約37升的去離子水用作冷卻劑。這套復雜的系統將會在未來幾年里接受太陽的考驗。

日冕熱量之謎

為什么要探測太陽？實在是因為太陽對于人類來說太過重要。生活在地球上的人類所獲得的能源，歸根結底都是來自太陽的輸送，生命離不開陽光普照。

除了實際生活的需要，對太陽進行科學探測對于人類宇宙學的發展也有著至關重要的意義。在可預見的未來里，太陽都會是人類唯一有可能進行實際探測的恒星。理解太陽的結構，有助于人類理解恒星的活動規律，加深對整個宇宙的理解。除此之外，對于太陽本身，尤其是對于日冕部分，人類還有很多持續多年的困惑，帕克太陽探測器的工作有可能幫助人類一舉解決這些難題。

太陽的大氣層（日冕）要比其表面溫度高出很多。在日冕外層，溫度可以超過100萬攝氏度，而向內1600公里到達太陽的表面，溫度則只剛剛超過5000攝氏度。如何解釋太陽外層不同區域之間相差了幾百倍的溫差，是天文學多年來最大的謎團之一，這被稱為“日冕熱量之謎”。

因為太陽過于耀眼，就連發現關于它的難題都不是一件容易的事情。在擁有各種高精度的觀測儀器之前，人類大多只能在發生日全食的時候對太陽進行觀測。當月亮恰好擋住太陽中間的主體部分，人類就可以借機觀測其周邊的日冕區域，分析其頻譜構成。在1869年的一次觀測中，人們分析日冕的光譜，結果發現了一條從未有過的綠線。發現此前未見的譜線往往說明發現了一種全新的元素。德國科學家安東·古倫華德為這種從未在地球上發現過的新元素命名為“氪”——直到20世紀30年代才由瑞典科學家本特·艾德倫發現，那個引人注目的綠色線條并非表示存在一種新元素，而是說明了鐵離子的存在。因為過熱，鐵原子失去了自身一半的電子成為離子，才呈現出了一條離奇的譜線。但問題在于，經過計算，人們發現想要鐵原子失去多達一半的電子，需要達到超過100萬攝氏度的溫度，這才意識到了日冕熱量之謎。

日冕不僅溫度極高，還能夠一直保持這個溫度，說明有著源源不斷的能量供應。想要在理論上解決這個問題，首先需要建立一些模型。正是在20世紀50年代，當時在芝加哥大學任教的物理學家尤金·帕克首先提出了一系列關于恒星如何釋放能量的模型。在這個復雜的模型中包含了等離子體、電磁場和高能粒子等復雜的物質和物理過程，簡單描述也就是如今人們說的“太陽風”。帕克提出，可能存在一種叫作“毫微閃焰”的現象造成了日冕的高溫。而除了用這種能夠產生出納米級耀斑的毫微閃焰模型來解釋日冕熱量之謎以外，還有另外一種理論認為日冕外層的能量來自于電磁場。電磁場讓帶電粒子快速旋轉，從而獲得巨大的能量。

這兩個用以解釋日冕熱量之謎的理論模型各有支持者，更多科學家認為，真正原因很可能是兩種因素都在起作用，因為這兩個理論并不相互排斥，很可能共同造就了太陽外層的高溫。除了這兩種主要理論之外，還有其他各種理論試圖解釋日冕熱量之謎，想要真正解開日冕熱量之謎，就需要詳細了解太陽風的構成。而太陽風要花費4天時間才能穿越1.5億公里的距離到達地球，此時太陽風的粒子已經和空間中的其他粒子相混合，失去了自身的特點，沒有太大的研究價值。因此，想要最終解決這個問題，別無他法，只能向太陽發射一個探測器，近距離采集太陽風的粒子。

人類發射一個探測器去探測一顆恒星，這種原本只會在科幻小說中出現的場景正在成為現實。人類可能難以想象，帕克太陽探測器在茫茫宇宙中經過幾個月的旅行，到達近日點時所面對的場景。在距離太陽僅有630萬公里的位置，相比于從地球上觀察太陽，這顆恒星在天空中大了25倍，也亮了625倍。人類因為自身的限制，可能永遠無法直面這樣的奇觀，卻可以制造出探測器代替自己去身赴險境。在任務結束后，帕克太陽探測器將會分解成較大的幾個部分，進而逐漸分解成更小的幾個部分，繼續圍繞著太陽運行。最終，這個來自地球的探測器將會消失在百萬攝氏度高溫的日冕中，成為日冕的一部分。

自從人類文明的誕生之日起，太陽在所有文化中就具有極為特殊的意義。這顆恒星為所有生命提供了光和熱量，它強大、無情，不可違背，有如神明的化身，它稍有異常都會引起人們的恐慌，以為這是來自于未知的某種警示。如今人類制造出探測器去主動接近和探測太陽，這也標志著人類文明離開了襁褓，終于有能力直面決定著自身命運的恒星。

（陳強生薦自《三聯生活周刊》）