首個“觸日”探測器開啟逐日之旅
如果一切順利帕克探測器將于今年11月第一次抵達(dá)近日點(diǎn) 探測計(jì)劃預(yù)計(jì)為期7年
當(dāng)?shù)貢r間12日凌晨，美國國家航空航天局的“帕克太陽探測器”，在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射升空。這個“汽車大小”的無人探測器耗資15億美元，以美國天體物理學(xué)家尤金·帕克的姓氏命名。據(jù)報(bào)道，“帕克太陽探測器”能夠比其他探測器更靠近太陽，將幫助人們更多了解太陽日冕層、太陽風(fēng)等。
此前，“帕克太陽探測器”原定于當(dāng)?shù)貢r間11日凌晨發(fā)射。但在距離發(fā)射只剩1分55秒時，因火箭氦氣裝置發(fā)出紅色警報(bào)，發(fā)射被迫推遲。
有史以來飛得最快的航天器美國“帕克”太陽探測器12日升空，正式開啟人類歷史上首次穿越日冕“觸摸”太陽的逐日之旅，這也將成為迄今最“熱”的太空探測任務(wù)。該探測計(jì)劃預(yù)計(jì)于2025年6月結(jié)束，為期7年。
美國東部時間12日3時31分(北京時間12日15時31分)，“德爾塔4”重型運(yùn)載火箭從美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地騰空而起，搭載著小汽車大小、重約635千克的探測器直入云霄。美國航天局說，“帕克”將在未來7年內(nèi)環(huán)繞太陽飛行24圈，并在金星引力的幫助下調(diào)整軌道逐漸逼近太陽，最終抵達(dá)距離太陽表面約610萬千米的地方，成為有史以來最靠近太陽的航天器。人類此前距離太陽最近的一次飛行任務(wù)由德美兩國研制的“太陽神2號”探測器于1976年完成，當(dāng)時距離太陽表面約4300萬千米。
“帕克”外部采用厚度約11.4厘米的碳復(fù)合材料防熱罩，可抵御近1400攝氏度的高溫，使探測器內(nèi)部在保持約30攝氏度的環(huán)境下正常工作。當(dāng)飛抵最接近太陽的地方時，它的飛行速度將高達(dá)每小時70萬千米，成為史上飛得最快的人造物體。按這種速度，只要一分鐘就能從華盛頓飛到北京。
“帕克”探測器以91歲高齡的尤金·帕克的名字命名，這位美國物理學(xué)家曾于1958年預(yù)測了太陽風(fēng)的存在，這也是美國航天局首次以還在世的科學(xué)家命名探測項(xiàng)目。探測器內(nèi)還搭載了一枚微芯片，記錄有從全球征集的超過110萬人的姓名，它們將與科學(xué)儀器一道飛向太陽系的中心。
如果一切順利，探測器將于今年11月第一次抵達(dá)近日點(diǎn)，并從12月開始傳回相關(guān)數(shù)據(jù)。“太陽日冕是太陽系中最后一批尚未有航天器造訪過的地方之一，”“帕克”探測器項(xiàng)目科學(xué)家亞當(dāng)·紹博在一份聲明中說，“它給我一種探險(xiǎn)家的興奮感。”
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帕克探測器為何不怕熱?
帕克探測器在太陽附近工作時，承受的太陽輻射約是地球附近的500倍。距離太陽如此之近，承受百萬度的高溫，探測器是如何做到的?
“熱保護(hù)系統(tǒng)(隔熱罩)是航天器的任務(wù)成行的保障之一，它能夠讓航天器在大約室溫下運(yùn)作”，約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室帕克太陽探測器項(xiàng)目經(jīng)理Andy Driesman說。
據(jù)了解，帕克太陽探測器的熱保護(hù)系統(tǒng)，由兩塊碳纖維合成板中間夾著輕型碳泡沫芯，就像一塊碳組成的三明治。為了反射盡可能多的熱量，系統(tǒng)表面涂有白色陶瓷材料。雖然它的直徑長約2.4米，但由于使用輕質(zhì)材料，整個熱保護(hù)系統(tǒng)僅為帕克太陽探測器的質(zhì)量增加了約70千克。而有了這個防熱系統(tǒng)，探測器的另一端將會保持在30℃左右。在實(shí)驗(yàn)中，這套系統(tǒng)承受了1650℃的高溫。
這個數(shù)字怎么能抵擋住日冕數(shù)百萬度的高溫?其實(shí)這背后還有一套基本的科學(xué)概念，熱量和溫度并不是一碼事。與我們直覺相反的是，高溫并不總是轉(zhuǎn)化為對物體的實(shí)際加熱。在太空中溫度可達(dá)數(shù)千度，但不會給物體帶來巨大的熱量。太陽探測項(xiàng)目熱防護(hù)首席工程師Betsy Congdon解釋，溫度可以衡量粒子移動的速度，而熱量則與它們傳輸?shù)目偰芰坑嘘P(guān)。粒子可能快速移動(高溫)，但如果它們數(shù)量很少，就不會傳遞太多能量(低熱)。
NASA科學(xué)家Susannah Darling做了一個駭人的比喻：把手放進(jìn)烤爐中能承受比放在開水里更高的溫度，這是因?yàn)樵陂_水中會接觸更多的粒子。盡管宇宙中存在大量粒子，但相比之下仍是真空，日冕的密度極低，沒有多少粒子會直接把熱量傳給探測器。帕克的隔熱罩只會被加熱到1400℃，而不是百萬攝氏度。
當(dāng)然，為了某些科學(xué)目標(biāo)的直接探測，還有儀器要待在熱保護(hù)系統(tǒng)外面。用于測量太陽風(fēng)離子和電子流的太陽探測杯(Solar Probe Cup)就不受保護(hù)，而它由耐高溫的特殊合金(鈦鋯鉬，熔點(diǎn)約為2349℃)制成，芯片則由鎢制成(熔點(diǎn)約3422℃)。電子線路也要經(jīng)受高溫考驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)使用了藍(lán)寶石水晶管布線，并用鈮制成電線。
在實(shí)驗(yàn)中模擬了極端環(huán)境進(jìn)行了測試，太陽探測杯成功地通過了測試甚至超出預(yù)期，暴露時間越長，結(jié)果越好。密歇根大學(xué)安娜堡分校SWEAP儀器的首席研究員Justin Kasper說：“我們認(rèn)為輻射清除了(導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的)污染物，基本上是把自己弄干凈了。”
另據(jù)報(bào)道，日冕中的太陽風(fēng)的溫度雖然高達(dá)數(shù)百萬度，但由于太陽風(fēng)的密度極低，不會對探測器的正常工作造成影響。
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帕克探測器如何與地球保持通信?
帕克太陽探測器上實(shí)現(xiàn)了三大技術(shù)突破，除了頂尖的隔熱罩，還有太陽電池陣列冷卻系統(tǒng)和先進(jìn)的故障管理系統(tǒng)。太陽電池陣列冷卻系統(tǒng)保證了極端環(huán)境下產(chǎn)生電能。它的設(shè)計(jì)十分精巧，當(dāng)靠近太陽時，帕克的電池陣列會收縮到隔熱罩保護(hù)范圍，只露出一小部分，以免過熱。
NASA的科學(xué)家認(rèn)為這套系統(tǒng)十分簡單：一個加熱水箱，保證冷卻劑在發(fā)射過程中不被凍結(jié);四個鈦管制散熱器，上面的鋁鰭只有0.5毫米厚;再加上冷卻劑的循環(huán)泵。而冷卻劑只是約3.7升的水。
雖然太陽的高溫將是整個探測器面臨最大的考驗(yàn)，但發(fā)射后的幾分鐘將決定它能否前往太陽，探測器要穿過冰冷的太空，極短時間內(nèi)完成從冷到熱的過度，很多冷卻劑也不能在溫度跨度如此之大的情況下正常工作，所以選擇了水。
另一個至關(guān)重要的問題是探測器與地球保持通信。因?yàn)榫嚯x如此之遠(yuǎn)，信號要8分鐘才能抵達(dá)地球，如果地面的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它出問題，再做糾正為時已晚。
所以，科學(xué)家們又在故障管理系統(tǒng)上進(jìn)行了創(chuàng)新——在與地球長時間無法聯(lián)系期間保護(hù)航天器。在隔熱罩內(nèi)側(cè)邊緣裝有幾個傳感器，若它們檢測到了光，說明探測器位置不正確，科學(xué)儀器就有可能暴露在高溫處。此時系統(tǒng)會接收到傳感器發(fā)出的警報(bào)，探測器會自動調(diào)整位置，以確保儀器的安全。
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帕克探測器帶著什么使命去探索太陽?
為什么我們要那么近距離地探索太陽?在NASA關(guān)于帕克太陽探測器的新聞發(fā)布會上，科學(xué)家給出了答案。實(shí)際上，太陽遠(yuǎn)比我們眼睛看到的復(fù)雜得多，根本不是安靜地掛在天上。太陽是一顆磁場非�；钴S的恒星，它的大氣層不斷向外發(fā)出帶電粒子，甚至能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地發(fā)散到冥王星軌道外，沿途影響著它們所觸碰的一切物質(zhì)，也就是我們所說的太陽風(fēng)(Solar Wind)。在太空中穿行的光和粒子會隨著磁場的爆發(fā)對地球的大氣層造成短暫的破壞，干擾無線通信信號，甚至破壞地面上的電網(wǎng)。
“太陽的能量總是流過我們的世界，”約翰霍普金斯大學(xué)帕克太陽探測器項(xiàng)目首席科學(xué)家Nicky Fox說，“即使太陽風(fēng)是看不見的，但當(dāng)它們到達(dá)地球兩極，我們能看到美麗的極光，這意味著有巨大的能量和粒子進(jìn)入了大氣層。我們對太陽風(fēng)形成的機(jī)制缺乏深刻理解，而這正是我們要研究的。”
當(dāng)然，太陽活動不只有太陽風(fēng)，那些對地球影響的情況被統(tǒng)稱為空間天氣，了解它們起源的關(guān)鍵就在于理解太陽本身。NASA戈達(dá)德飛行中心太陽物理科學(xué)部副主任Alex Young說：“我們研究太陽已經(jīng)幾十年了，現(xiàn)在終于該行動了。”
據(jù)報(bào)道，作為第一個將直接從位于太陽大氣最外層的日冕中穿越的探測器，“帕克”將使人類能夠近距離測量太陽外層空間的電場和磁場，研究日冕物質(zhì)拋射的物理機(jī)制，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測太陽風(fēng)暴對人類生活可能造成的影響。
在NASA關(guān)于帕克太陽探測器的新聞發(fā)布會上介紹了三大科學(xué)任務(wù)。第一，幫助科學(xué)家了解日冕極高溫度的奧秘。太陽表面溫度約為5500℃，但日冕溫度可以高達(dá)表面溫度的數(shù)百倍，飆升到上百萬攝氏度。其實(shí)有些違背常理，“這有點(diǎn)像你離開了篝火，結(jié)果突然變熱了”，F(xiàn)ox說。太陽的熱量來自它的核心，但反而距離遠(yuǎn)的更熱，熱量是如何在太陽大氣中移動的?
第二項(xiàng)任務(wù)就是研究太陽風(fēng)。雖然現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)很大程度上知道了太陽風(fēng)形成的原因，但仍有一點(diǎn)未知，也是從未觀察到的——太陽風(fēng)是如何加速到超音速的?帕克探測器將直接通過該區(qū)域，并沿著粒子運(yùn)動方向飛行，幫助科學(xué)家揭開這個謎團(tuán)。了解太陽風(fēng)的環(huán)境影響至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K人類要進(jìn)入深空，必須保護(hù)我們免受傷害。
第三個主要任務(wù)是帕克上攜帶的儀器來揭示太陽高能粒子加速的機(jī)制。Young說：“太陽會爆發(fā)大量的粒子，這些粒子會達(dá)到光速的一半，會干擾電子設(shè)備，尤其是地球磁場外的衛(wèi)星。”
帕克太陽探測器上帶有一系列科學(xué)儀器來回答這些問題。包括太陽風(fēng)電子、α粒子和質(zhì)子檢測儀;寬場成像望遠(yuǎn)鏡，將拍下太陽日冕和內(nèi)日球?qū)拥娜S圖像，從而真正“看到”太陽風(fēng);電磁場磁力計(jì)將直接測量穿過太陽大氣層的等離子產(chǎn)生的沖擊波;太陽科學(xué)綜合測量儀，通過譜儀監(jiān)測探測器周圍各種能量的粒子，研究它們來自何處，如何加速以及如何穿過星際空間。
本組文/綜合新華社、《北京科技報(bào)》、央視新聞
