觸摸太陽

劉聲遠(yuǎn)

美國宇航局的下一艘太陽探測器將最近距離探測太陽，科學(xué)家將此形容為——

美國宇航局的下一次太陽探測任務(wù)——“帕克太陽探測”，將是有史以來最接近太陽的探測任務(wù)。美國宇航局2017年5月31日宣布，原名“太陽探測附加”的任務(wù)已改名為“帕克太陽探測”任務(wù)（以下簡稱帕克任務(wù)），以此對美國芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家尤金·帕克表示敬意。

早在1958年，帕克就預(yù)測了太陽風(fēng)（太陽風(fēng)是源自太陽大氣層的帶電粒子流，這些粒子以每小時好幾百萬千米的速度噴發(fā)，一路流到冥王星軌道外很遠(yuǎn)的地方）的存在。在1958年發(fā)表的一篇論文中，帕克描述了太陽怎樣以高速物質(zhì)、磁性和等離子體的形式噴發(fā)能量。從那以后，實際觀測證實了帕克在這篇論文中的描述，帕克的這一論文由此奠定了恒星與其行星系統(tǒng)之間關(guān)系的基石。美國宇航局已經(jīng)采用了大約20個人名來命名其太空探測任務(wù)，其中最有名的也許是“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”。但現(xiàn)年89歲的帕克是被以此方式致敬的首位在世科學(xué)家。

“帕克號太陽探測器”（以下簡稱帕克號）的前身是20世紀(jì)90年代設(shè)想的“太陽軌道器”，這兩者的設(shè)計與目標(biāo)幾乎同出一轍?！疤栜壍榔鳌比蝿?wù)是美國宇航局“外行星/太陽軌道器”（簡稱OPSP）方案的核心部分之一。該方案的前3項任務(wù)計劃分別是“太陽軌道器”“冥王星快車”（冥王星和柯伊伯帶勘測任務(wù)）及“歐羅巴軌道器”（聚焦木衛(wèi)二即歐羅巴的天體生物學(xué)任務(wù)）。但隨著歐克飛被任命為美國宇航局局長，整個OPSP方案都因為2003年的美國預(yù)算問題而被取消。這一取消還造成“新地平線號”任務(wù)也被取消，該任務(wù)原本是作為“冥王星快車”的替代任務(wù)。經(jīng)過繁瑣冗長的政治紛爭，“新地平線號”終于獲得經(jīng)費，在2006年發(fā)射。21世紀(jì)10年代初，“太陽探測附加”任務(wù)終于獲準(zhǔn)。在此之前，美國約翰·霍普金斯大學(xué)“應(yīng)用物理實驗室”于2008年5月1日宣布，它將設(shè)計、建造太陽探測器，并計劃于2015年發(fā)射。最終，發(fā)射時間被推后到2018年。

帕克任務(wù)最初開始構(gòu)想實際上是在1958年，即美國宇航局成立那一年。但直到今天，才具備了發(fā)射探測器近距離觀測太陽的技術(shù)條件。早期的“太陽探測器”任務(wù)設(shè)想是，使用木星引力援助機動，抵消探測器從地球發(fā)射而來的軌道速度，以便把探測器投送到靠近太陽的軌道。帕克任務(wù)的設(shè)計簡化了這一軌道，改為使用在金星的重復(fù)引力援助，逐漸降低探測器軌道近日點距離，最終讓探測器距離太陽約8.5個太陽半徑，即不到600萬千米。

帕克任務(wù)投資高達(dá)15億美元。2018年7月或8月（從7月31日起，有一個為期20天的發(fā)射窗口），在美國佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，帕克號將由“德爾塔四型”重型火箭發(fā)射升空。在之后7年里，帕克號將24次飛近太陽，其中多次將飛到距離太陽表面不到600萬千米的地方?？茖W(xué)家說，從太空意義上說，這已算是“觸摸”太陽。這樣的距離比水星還靠近太陽得多。

帕克號飛近太陽當(dāng)中的7次，將比有史以來的其他任何探測器都更接近太陽表面。在此之前，飛得最靠近太陽的飛行器是美國和德國合作的“赫利俄斯2號”。1976年，它從距離太陽4343萬千米的地方飛過。帕克說，帕克號將進(jìn)入此前從未被探索過的區(qū)域，能讓我們更詳盡測量太陽風(fēng)發(fā)源地的內(nèi)部情況，這無疑將帶來一些驚喜，因為太陽總是帶給我們驚喜。

還值得一提的是，當(dāng)帕克號近距離環(huán)繞太陽時，它的速度將達(dá)到每秒200千米，這將是人造物體達(dá)到的最大速度，也是目前這一速度的保持者——“赫利俄斯2號”的速度的差不多3倍。按照這一速度，從美國首都華盛頓到美國費城只需1秒鐘。

在接近太陽表面的區(qū)域內(nèi)，環(huán)境條件自然是非常極端的：在距離太陽最近時，3米寬的帕克號預(yù)計將耐受1370℃的高溫，以及比地球上的強度高520倍的太陽輻射。帕克任務(wù)的一個重要設(shè)計，是運用一面太陽陰影盾（防熱罩），讓帕克號能在太陽附近的嚴(yán)苛環(huán)境中存活下來。防熱罩位于帕克號正前方，由強化碳-碳復(fù)合材料制成。帕克號的飛行器和科學(xué)儀器都位于防熱罩背后的陰影中，太陽光完全照不到它們。因為帕克號的軌道是很扁的橢圓，有時候帕克號距離太陽很近，有時候帕克號又回到金星軌道位置，所以防熱罩不僅必須耐受超高溫，而且必須忍受很大的溫差而不至于開裂。

帕克號由先進(jìn)復(fù)合材料制成的防熱罩覆蓋。厚度為11.4厘米的防熱罩，將確保帕克號搭載的4部科學(xué)儀器在與室溫相仿的條件下運作。帕克號的主要動力由太陽能雙電池板提供。主要電池板用于驅(qū)動帕克號在距離太陽0.25天文單位（太陽與地球之間的平均距離為1天文單位）以外的飛行。在帕克號接近太陽時，這面電池板縮回在防熱罩的陰影中，小得多的次級電池板驅(qū)動帕克號在接近太陽過程中的飛行。次級電池板通過液壓冷卻，維持操作所需的低溫。

帕克任務(wù)將讓科學(xué)家更好地了解太陽系的基本過程，以及推測宇宙中其他幾千億個恒星系統(tǒng)的情況。帕克指出，太陽本身就是宇宙中的一大奧秘，而且它是我們唯一能仔細(xì)觀測的一顆恒星，并且恒星是非常復(fù)雜的天體?？茖W(xué)家希望能破解有關(guān)太陽的一些基本奧秘。事實上，了解太陽怎樣創(chuàng)制和維持自己的大氣層，對于了解其他恒星怎樣維持它們的大氣層、這些大氣層怎樣影響周圍行星以及這些行星上的潛在可居住性來說，無疑是重要的一步。

帕克號將執(zhí)行一系列科學(xué)任務(wù)，例如測量太陽的電場和磁場、拍攝太陽結(jié)構(gòu)和研究太陽風(fēng)。如果一切順利，帕克號的觀測將有助于科學(xué)家破解兩個長期以來的奧秘：太陽風(fēng)是怎樣被加速的？太陽最外層大氣——所謂的“日冕”（日冕是包裹太陽的等離子體。其他恒星也被這樣的“冕”包裹）的溫度，為什么比太陽表面的溫度高得多？日冕溫度高達(dá)170萬℃，而太陽表面溫度只有5526℃。有科學(xué)家說，這好比“水往山上流”。也有科學(xué)家說，這好比“把一只裝著水的壺放到一塊冰上，然后水開始沸騰”。言下之意：這根本就不該發(fā)生，卻為什么實際上發(fā)生了？endprint

要想回答這兩大問題，只有通過前往太陽風(fēng)的誕生地附近，近距離觀測太陽。而這些問題的答案，并非只具有科學(xué)研究意義。太陽風(fēng)聽起來蠻詩意的，但它絕非微風(fēng)怡人。有時候，太陽噴射強烈的等離子體流，即日冕物質(zhì)爆發(fā)。如果這些帶電粒子與地球大氣層的磁場相互作用，其在地球上形成的電流就可能讓電網(wǎng)的變壓器過載，還會損傷汽油和天然氣管道。此外，太陽風(fēng)暴會擾亂通信及全球定位衛(wèi)星，還可能以輻射威脅太空中的宇航員。2006年，一次強烈太陽爆發(fā)迫使國際空間站上的宇航員躲進(jìn)氣閘艙和其他重點防護(hù)區(qū)域?，F(xiàn)代太空探索需要把宇航員、人造衛(wèi)星和飛行器送到太陽系中更遠(yuǎn)的地方，這讓太空天氣預(yù)測（包括預(yù)測太陽爆發(fā)的概率）變得越發(fā)重要。

美國國家科學(xué)院最近的一項研究估計，如果不得到預(yù)警，一場巨型太陽事件僅對美國就可能致?lián)p2萬億美元，整個美國東海岸地區(qū)可能停電1年。美國宇航局因此表示，為了破解日冕奧秘，也為了保護(hù)人類文明免遭太空天氣事件威脅，該局決定發(fā)射帕克號去“觸摸太陽”。帕克號將專門攜帶的一個芯片上，裝載著尤金·帕克的多幅照片，以及他在1958年發(fā)表的那篇具有里程碑意義的太陽風(fēng)論文。帕克號上還將安裝一面有著特殊意義的牌匾，美國宇航局已經(jīng)邀請帕克本人撰寫牌匾上的銘文內(nèi)容。

為了接近太陽，帕克號將環(huán)繞金星7圈，以確保自己能進(jìn)入離太陽盡可能近的軌道。只有飛得離太陽足夠近，才能實地觀測到太陽風(fēng)從亞音速加速至超音速的情況，才能飛到高能太陽粒子的誕生地。帕克號在發(fā)射時的自身重量為685千克，長度為3米，最大直徑2.3米，形狀為六角形。它從地球到太陽的旅途長達(dá)1.496億千米。為確保這趟漫長旅程順利，需要使用一系列太陽能電池板。帕克號搭載四部主要的科學(xué)儀器，分別是：場實驗儀，用于測量電場、磁場和波；集成科學(xué)調(diào)查裝置，用于觀測高能電子、質(zhì)子和重離子；寬視場相機，用于為太陽拍照；太陽風(fēng)電子和質(zhì)子調(diào)查儀，用于為太陽風(fēng)中的粒子計數(shù)。

日冕加熱之謎

太陽光球?qū)樱ㄌ柋砻妫┑臏囟却蠹s為5526℃，而光球?qū)由戏降娜彰釡囟雀哌_(dá)100萬～200萬℃。日冕的極高溫說明，日冕不是由光球?qū)拥闹苯訜醾鲗?dǎo)來加熱的。

科學(xué)家推測，加熱日冕所需的能量是由光球?qū)酉旅鎸α鲄^(qū)的湍流運動提供的?？茖W(xué)家提出了兩種主要機制來解釋日冕加熱。第一種機制是波加熱，即對流區(qū)中的湍流產(chǎn)生聲波、引力波或磁流體動力波。這些波向上運動，在日冕中耗散，以熱量形式把能量沉積在周圍物質(zhì)中。第二種機制是磁加熱，即通過光球?qū)舆\動持續(xù)累積磁能，并且以大型太陽耀斑及大量類似但小規(guī)模事件——納耀斑的形式釋放磁能。

目前不清楚波是否是一種有效的加熱機制。除了阿爾芬波（沿磁力線運動的橫向電磁波）之外，所有波都被發(fā)現(xiàn)在到達(dá)日冕之前就會耗散或折射。另外，阿爾芬波在日冕中不容易耗散。因此，對日冕加熱之謎的現(xiàn)行研究都聚焦于耀斑加熱機制。但實際情況是否如此，有待帕克任務(wù)證實。endprint