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“帕克”奔日,能解開哪些謎題

時間:2024-10-20 03:29:57

位于太陽大氣最外層的日冕可達上百萬攝氏度,“帕克”如何耐受得住太陽之火而不被燒化呢

萬物生長靠太陽,但太陽是我們“最熟悉的陌生人”,對這顆人類賴以生存的大火球,還有太多的問題沒有弄明白。

8月12日,美國“帕克”太陽探測器從佛羅裡達州啟程,踏上人類曆史上第一次近距離“觸摸”太陽的逐日之旅。那麼,它如何接近太陽?有什麼“防烤化”高招?又會帶來哪些新發現呢?

史上最靠近太陽的航天器

首先從“帕克”自身談起,這個探測器重約635千克,大小如同一輛小汽車。美國航天局指出,這個探測器“相對較輕”,因為接近太陽需要巨大的能量。“帕克”使用當前世界上推力最大火箭之一“德爾塔4”發射,所用發射能量是前往火星的55倍,比前往位于太陽系邊緣的冥王星也多出一倍。

上天後,“帕克”将越飛越快,打破人造物體的飛行速度紀錄——在最接近太陽時,一小時就能飛70萬千米。按這種速度,隻要一分鐘就能從華盛頓飛到北京。不過,要接近太陽,還必須借助行星的引力踩“刹車”減速。這個行星,就是金星。“帕克”将7次近距離飛掠金星,利用其引力調整軌道并降低速度,從而逐漸靠近太陽。

按計劃,“帕克”将于9月底第一次掠過金星,然後于11月首次抵達近日點。美國航天局說,這時“帕克”距太陽隻有36個太陽半徑的距離,約2500萬千米,其實已經成為史上最靠近太陽的航天器。

“帕克”預定工作壽命7年,其間将環繞太陽24圈,最終将飛至距太陽表面約610萬千米的最近點,隻有不到10個太陽半徑的距離。這意味着探測器進入了日冕層内。日冕是太陽大氣的最外層,在這裡,帶電粒子被加速到超音速并飛離太陽,形成了可能危害地球的太陽風。

構成太陽風的帶電粒子與太陽表面之間相隔一段距離,這一間距的上層邊界被稱為“阿爾芬點”。“阿爾芬點”距太陽表面數十個太陽半徑,此前尚未有航天器能直接觀測“阿爾芬點”之下的情況。“帕克”項目科學家、美國亞利桑那大學助理教授克裡斯托弗·克萊因在一份聲明中說:“如果‘帕克’進入了‘阿爾芬點’之下,我們就可以說它進入太陽大氣層并‘觸摸’到太陽了。”

此前,最接近太陽的人類探測器是德美兩國共同研制的“太陽神2号”,它曾于1976年飛至距太陽表面約4300萬千米的地方,是計劃中“帕克”與太陽表面最近距離的約7倍。

酷熱高溫都不怕

太陽表面溫度約6000攝氏度,而位于太陽大氣最外層的日冕可達上百萬攝氏度,“帕克”如何耐受得住太陽之火而不被燒化呢?

美國航天局說,盡管日冕溫度高得驚人,但因為物質密度低,可導熱粒子稀少,對航天器的影響實際上并沒有想象中那麼大,這就好像手在熱烤箱裡能比在熱水裡堅持更長時間。按照他們的計算,“帕克”進入日冕後,面向太陽的那一面将僅被加熱到約1400攝氏度,盡管這個溫度也足以讓鐵熔化。

更重要的是,“帕克”面向太陽的一面裝有厚約11.4厘米的防熱罩,由輕質碳複合泡沫制成,表面塗有白色陶瓷塗料,可反射盡可能多的陽光,使探測器内部的工作環境可維持在30攝氏度左右。幾十年前,美國航天局就有探測日冕的計劃,但直到最近材料科學取得進展,研制出了這種防熱罩,計劃才得以真正實施。

“帕克”探測器上也有設備沒有躲在防熱罩後,其中一個是被稱為“法拉第杯”的傳感器,用來測量太陽風中離子和電子的相關數據。“法拉第杯”使用钼合金制成,其熔點高達2349攝氏度,而為它産生電場的芯片由鎢制成,熔點高達3422攝氏度。

另外,設計人員采用金屬铌制造電線,并用藍寶石晶管來隔熱,防止電線被烤化。

“帕克”探測器上還有多個高溫保護機制。比如,研究人員在防熱罩陰影的邊緣安裝了多個傳感器,一旦某個傳感器探測到陽光,便會通知中央電腦,“帕克”探測器随即自動糾正姿态,确保内部儀器安全。

四大儀器解謎題

費盡心機探測太陽,并非隻是滿足“奔日”夢想,人們對太陽的了解還遠不充分,其中一個主要的未知領域是日冕物質抛射和太陽風形成等太陽活動。比如,科學家尚不清楚太陽風中的粒子如何獲得加速度。另外,日冕溫度遠高于太陽表面,這也是一個謎。

為回答這些問題,“帕克”探測器搭載了四大儀器,分别是測量日冕電場和磁場的FIELDS、記錄太陽風中粒子速度、密度和溫度等數據的SWEAP、直接給太陽日冕拍照的WISPR以及測量粒子能量及種類的ISIS。

美國航天局說,“帕克”探測器将在日冕層展開近距離觀測,希望能“革命性改變對太陽的認識”。同時,這項任務也将增進對其他恒星的認識,并有助于更準确地預報重大空間天氣事件,從而更好地保護人造衛星、宇航員以及地球上的電網和飛行器等。

“帕克”探測器以曾提出太陽風存在的美國物理學家尤金·帕克的名字命名。看着“帕克”升入雲霄,這位91歲的老人在美國航天局電視直播中說:“我想說,哇,開始啦,接下來的幾年我們将會學到一些新東西。”
   

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