與太陽“親密接觸”

本刊綜合

聽到“觸摸太陽”，大家的第一反應(yīng)恐怕是：太陽好比一個(gè)大火爐，離得太近不會被烤化嗎？事實(shí)上，人類的確在做一些以前想都不敢想的事。近日，美國國家航空航天局（NASA）向太空發(fā)送了一個(gè)探測器，與太陽來了一次“親密接觸”。

2018年8月12日，“帕克”太陽探測器在美國卡納維拉爾角空軍基地由Delta-4重型火箭發(fā)射升空。

人類的探測器已經(jīng)飛向太陽系各處，如八大行星、彗星、矮行星、小行星，但從未抵達(dá)太陽。盡管之前人類已經(jīng)發(fā)射了多顆太陽探測衛(wèi)星，但這些衛(wèi)星更多地是在地球軌道上對太陽進(jìn)行觀測。

“帕克”太陽探測器項(xiàng)目耗資大約15億美元，將持續(xù)到2025年之后。這個(gè)探測器本身并不顯眼：高度大約為3米，直徑大約為1米。它前面頂著一塊直徑2.3米、厚度僅有11.43厘米的先進(jìn)碳-碳復(fù)合材料隔熱罩，所有儀器設(shè)備都“躲”在這塊隔熱罩的后方。這塊隔熱罩正是“帕克”太陽探測器的關(guān)鍵所在，在它的保護(hù)下，儀器艙的溫度可保持在30℃以下。

“帕克”太陽探測器擁有自主姿態(tài)調(diào)整功能，機(jī)身四周安裝了許多光照傳感器。如果某個(gè)方向上的傳感器感知到自身暴露在陽光下，說明隔熱罩的朝向出現(xiàn)了問題，飛船將自動調(diào)整，確保始終將隔熱罩對準(zhǔn)太陽。此外，“帕克”太陽探測器還擁有水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過冷卻水的來回循環(huán)對機(jī)身進(jìn)行降溫，確保所有設(shè)備能在接近室溫的環(huán)境下正常工作。

“帕克”太陽探測器在7年的任務(wù)期間，包含多達(dá)7次的金星飛掠，計(jì)劃圍繞太陽運(yùn)行24圈，每一圈都比上一圈更接近太陽。這樣做可以盡可能地減少飛船在特別接近太陽的位置上的停留時(shí)間，避免飛船受到劇烈高溫和強(qiáng)烈輻射的破壞。

在最接近太陽時(shí)，“帕克”太陽探測器距離太陽表面將不到610萬千米（約為太陽半徑的8.86倍），相比之下，離太陽最近的水星與太陽的平均距離是5 700多萬千米。

當(dāng)前，太陽活動處于低潮期，太陽正接近其11年活動周期內(nèi)的平靜期。但再過幾年，情況就會發(fā)生變化，屆時(shí)太陽的活動強(qiáng)度將逐漸上升。而“帕克”太陽探測器預(yù)計(jì)工作到2025年以后，這種長壽命的特點(diǎn)將有利于探測器完整掌握太陽從平靜期轉(zhuǎn)向活躍期的全周期情況。

“帕克”太陽探測器會關(guān)注太陽的哪些“小秘密”？其中三個(gè)有關(guān)太陽的基本問題——太陽風(fēng)的加速、太陽風(fēng)暴現(xiàn)象的原理以及日冕層的高溫是探索的重點(diǎn)。

懸而未決的理論問題

太陽物理學(xué)家最喜歡用油炸冰淇淋比喻太陽大氣的物理狀態(tài)，他們想以此形象地表明，太陽的外層比它的表面溫度還要高。

1941年，瑞典光譜學(xué)家本格特·艾德蘭解釋了此前獲得的一條日冕輻射譜線，它是在鐵原子的13次電離時(shí)產(chǎn)生的，這種情況只有在上百萬攝氏度的高溫下才會發(fā)生。從此，越來越多的證據(jù)表明，太陽大氣層從表面到外層從6 000℃左右逐漸升溫，日冕層已經(jīng)熾熱到上千萬攝氏度。

這個(gè)現(xiàn)象不僅和地球的情況大相徑庭，還違反了熱力學(xué)第二定律。為什么會這樣？根據(jù)多年來的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們猜測，一定有額外的能量加速粒子的運(yùn)動，導(dǎo)致了日冕的高溫。

同樣，額外的能量還導(dǎo)致另一個(gè)現(xiàn)象，即太陽風(fēng)的加速。1958年，美國物理學(xué)家帕克通過理論模型，精確預(yù)測了日冕克服太陽引力發(fā)生膨脹的速度和磁場強(qiáng)度，并首次把日冕膨脹的現(xiàn)象命名為“太陽風(fēng)”。他的預(yù)測表明，太陽風(fēng)抵達(dá)太陽系行星時(shí)的速度遠(yuǎn)比其在太陽表面的大。之后的觀測數(shù)據(jù)也表明，抵達(dá)地球軌道的太陽風(fēng)速度達(dá)到每秒400千米至500千米。但帕克沒能解釋這一現(xiàn)象。

60年后的今天，“帕克”太陽探測器將完成這一使命——為解釋日冕反常高溫和太陽風(fēng)加速現(xiàn)象的額外能量來自哪里提供數(shù)據(jù)。

波動還是磁重聯(lián)

科學(xué)家對額外能量的觀測和猜想從未停止，目前，科學(xué)界對粒子加速的原因有“波動加熱”和“磁重聯(lián)加熱”兩種觀點(diǎn)。

“波動加熱”觀點(diǎn)的支持者認(rèn)為，太陽光球附近的物質(zhì)能量交換過程激發(fā)出各類等離子體波動。1994年由歐洲航天局和NASA共同發(fā)射的SOHO衛(wèi)星觀測到相關(guān)證據(jù)。質(zhì)量較重的粒子比如氧離子加熱溫度更高，而質(zhì)子沒那么高。

“磁重聯(lián)加熱”觀點(diǎn)的支持者認(rèn)為，額外的能量來自磁重聯(lián)。當(dāng)日冕中許多地方都發(fā)生這種小尺度的重聯(lián)就可能把磁場的能量轉(zhuǎn)換為等離子體動能，即升高日冕溫度。

這兩種觀點(diǎn)陸續(xù)都有實(shí)際觀測的證據(jù)支持，但迄今為止沒有定論。“帕克”太陽探測器能夠進(jìn)入日冕外圍進(jìn)行實(shí)地探測，有望解開這一謎題。

具有現(xiàn)實(shí)意義的太陽風(fēng)暴

在科學(xué)家們看來，“帕克”太陽探測器對太陽風(fēng)暴原理的探測具有現(xiàn)實(shí)意義。自1859年英國天文學(xué)家卡林頓首次觀測到太陽耀斑起，這種持續(xù)時(shí)間較短、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象便受到人們的高度關(guān)注。

如今，太陽風(fēng)暴已被視為災(zāi)害性空間天氣，世界各國都在對其進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警和研究。

利用電磁現(xiàn)象開展的人類活動都有可能受到太陽風(fēng)暴的影響，例如太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的高能粒子可能會損壞衛(wèi)星載荷的元器件、傷害身處太空的宇航員的身體；太陽風(fēng)暴形成的強(qiáng)烈電磁輻射可能嚴(yán)重干擾通信和導(dǎo)航系統(tǒng)；太陽風(fēng)暴觸發(fā)的強(qiáng)烈磁暴甚至?xí)?dǎo)致輸電系統(tǒng)崩潰。

“帕克”太陽探測器為研究太陽風(fēng)暴的產(chǎn)生機(jī)制提供觀測證據(jù)，進(jìn)而形成符合觀測事實(shí)的理論模型，為預(yù)測太陽風(fēng)暴提供理論依據(jù)。

美國的“帕克”太陽探測器和“太陽哨兵”以及歐洲航天局的“太陽軌道器”無論從規(guī)模、科技含量、技術(shù)難度還是從預(yù)期產(chǎn)生的效果來看，堪稱太陽探測的“ 三大工程”。

“太陽軌道器 ”明年升空

將于2019年發(fā)射的“太陽軌道器”以歐洲航天局為主研制，也是“人類與日共存”國際空間合作計(jì)劃的最后一個(gè)太陽探測器，與美國的“太陽哨兵”計(jì)劃一起，旨在研究太陽表面及其大氣，對發(fā)生在太陽系核心的高能過程進(jìn)行近距離觀測。

它攜帶的原位探測儀器有太陽風(fēng)等離子體分析器、射電和等離子體波分析器、磁強(qiáng)計(jì)、能量粒子探測器、塵埃粒子探測器、中子與γ射線探測器。遙感儀器有可見光成像儀和磁照圖儀、極紫外成像儀、可見光日冕儀、X射線分光成像望遠(yuǎn)鏡。

“太陽哨兵”前途未卜

美國還在研制 “太陽哨兵”。其任務(wù)是提供關(guān)于威脅航天員及航天器電子設(shè)備的大劑量太陽輻射的重要數(shù)據(jù)。它是一組航天器，其中“內(nèi)日球?qū)由诒笔窃诮鹦桥c水星軌道內(nèi)發(fā)射4個(gè)相同的探測器，就近搜取高能太陽粒子樣本；“近地哨兵”是一個(gè)繞地軌道航天器，從大型風(fēng)暴產(chǎn)生處觀測太陽大氣層；“遠(yuǎn)端哨兵”是一個(gè)觀測太陽背地面的航天器。不過，近年來，有關(guān)美國“太陽哨兵”的研制進(jìn)度報(bào)道很少，其前途未卜。