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“帕克”追日
  新华网 ( 2018-08-28 07:31:33 ) 来源: 《环球》杂志
 

    NASA说,“帕克”探测器将在日冕层展开近距离观测,希望能“革命性改变对太阳的认识”。同时,这项任务也将增进对其他恒星的认识,并有助于更准确地预报重大空间天气事件,从而更好地保护人造卫星、宇航员以及地球上的电网和飞行器等。

《环球》杂志记者/周舟(发自华盛顿)

  万物生长靠太阳,但太阳却是我们“最熟悉的陌生人”,对这颗人类赖以生存的大火球,还有太多的问题没有弄明白。

  8月12日,美国“帕克”太阳探测器从佛罗里达州启程,踏上人类历史上第一次近距离“触摸”太阳的逐日之旅。它如何接近太阳,有什么“防烤化”高招,又会带来哪些新发现?

“触摸”太阳

  “帕克”这颗探测器重约635千克,大小如同一辆小汽车。美国国家航空航天局(NASA)指出,这个探测器“相对较轻”,因为接近太阳需要巨大的能量。“帕克”使用当前世界上推力最大的火箭之一“德尔塔4”发射,所用发射能量是前往火星的55倍,比前往位于太阳系边缘的冥王星也多出一倍。

  上天后,“帕克”将越飞越快,打破人造物体的飞行速度纪录——在最接近太阳时,一小时就能飞70万千米。按这种速度,只要一分钟就能从华盛顿飞到北京。不过,要接近太阳,还必须借助行星的引力踩“刹车”减速,而这个行星就是金星。“帕克”将7次近距离飞掠金星,利用金星引力调整轨道并降低速度,从而逐渐靠近太阳。

  按计划,“帕克”将于9月底第一次掠过金星,然后于11月首次抵达近日点。NASA说,这时“帕克”距太阳只有36个太阳半径的距离,约2500万千米,其实已经成为史上最靠近太阳的航天器。

  “帕克”预定工作寿命为7年,其间将环绕太阳24圈,最终将飞至距太阳表面约610万千米的最近点,只有不到10个太阳半径的距离。这意味着探测器进入了日冕层内。日冕是太阳大气的最外层,在这里,带电粒子被加速到超音速并飞离太阳,形成了可能危害地球的太阳风。

  构成太阳风的带电粒子与太阳表面之间相隔一段距离,这一间距的上层边界被称为阿尔芬点。阿尔芬点距太阳表面数十个太阳半径,此前尚未有航天器能直接观测阿尔芬点之下的情况。“帕克”项目科学家、美国亚利桑那大学助理教授克里斯托弗·克莱因在一份声明中说:“如果‘帕克’进入了阿尔芬点之下,我们就可以说它进入太阳大气层并‘触摸’到太阳了。”

  此前,最接近太阳的人类探测器是德美两国共同研制的“太阳神2号”,它曾于1976年飞至距太阳表面约4300万千米的地方,是计划中“帕克”与太阳表面最近距离的7倍左右。

不怕被烤化

  太阳表面温度约6000℃,而位于太阳大气最外层的日冕可达上百万摄氏度,“帕克”如何耐受得住太阳之火而不被烧化呢?

  NASA说,尽管日冕温度高得惊人,但因为物质密度低,可导热粒子稀少,对航天器的影响实际上并没有人们想象中那么大,这就好像手在热烤箱里能比在热水里坚持更长时间。按照NASA的计算,“帕克”进入日冕后,面向太阳的那一面将仅被加热到约1400℃,尽管这个温度也足以让铁熔化。

  更重要的是,“帕克”面向太阳的一面装有厚约11.4厘米的防热罩,由轻质碳复合泡沫制成,表面涂有白色陶瓷涂料,可反射尽可能多的太阳光,使探测器内部的工作环境可维持在30℃左右。几十年前,NASA就有探测日冕的计划,但直到最近材料科学取得进展,研制出了这种防热罩,计划才得以真正实施。

  “帕克”探测器上也有设备没有躲在防热罩后,其中一个是被称为法拉第杯的传感器,用来测量太阳风中离子和电子的相关数据。法拉第杯使用钼合金制成,其熔点高达2349℃,而为它产生电场的芯片由钨制成,熔点高达3422℃。

  另外,设计人员采用金属铌制造电线,并用蓝宝石晶管来隔热,防止电线被烤化。

  “帕克”探测器上还有多个高温保护机制。比如,研究人员在防热罩阴影的边缘安装了多个传感器,一旦某个传感器探测到阳光,便会通知中央电脑,“帕克”探测器随即自动纠正姿态,确保内部仪器安全。

解太阳之谜

  费尽心机探测太阳,并非只是满足“奔日”梦想,还因为人们对太阳的了解远不充分,其中一个主要的未知领域是日冕物质抛射和太阳风形成等太阳活动。比如,科学家尚不清楚太阳风中的粒子如何获得加速度。又如,日冕温度远高于太阳表面,这也是一个谜。

  为回答这些问题,“帕克”探测器搭载了四大仪器,分别是测量日冕电场和磁场的FIELDS,记录太阳风中粒子速度、密度和温度等数据的SWEAP,直接给太阳日冕拍照的WISPR,以及测量粒子能量及种类的ISIS。

  NASA说,“帕克”探测器将在日冕层展开近距离观测,希望能“革命性改变对太阳的认识”。同时,这项任务也将增进对其他恒星的认识,并有助于更准确地预报重大空间天气事件,从而更好地保护人造卫星、宇航员以及地球上的电网和飞行器等。

  “帕克”探测器以曾提出太阳风存在的美国物理学家尤金·帕克的名字命名。看着“帕克”升入云霄,这位91岁的老人在NASA的电视直播中说:“我想说,哇,开始啦,接下来的几年我们将会学到一些新东西。”

来源:2018年8月22日出版的《环球》杂志 第17期

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