帕克号:向着太阳进发

Space Exploration - - 深空探测专题 - □槐钦

据媒体报道,美国宇航局5 月 31日在芝加哥大学威廉·埃克哈特研究中心宣布,计划于2018 年夏天向人类既熟悉又陌生的星球——太阳发射一个高约3米、身穿12厘米厚碳复合保护罩的太阳探测器。这个被命名为“帕克号”的新型探测器将在距离太阳表面600 万千米的外大气层轨道上观测日冕等的活动情况。这将是美国宇航局第一个飞入日冕的探测器,也是人类首次使用航天器较近距离地接触和观察太阳,以破解日冕与太阳风等的秘密。

太阳的组成和特征

太阳是银河系中的恒星之一,位于太阳系的中心,八大行星以及众多的小天体都围绕在它的周围运转不息。它又发出光和热,温暖着每一个成员。地球上能有生机勃勃的景象,也是因为从太阳那里获取了足够的能量。太阳的直径为 139.2 万千米,是

地球的109倍;其质量近2000亿亿亿吨,

是地球的33万倍。太阳没有固态的星体或核心,从里到外全部由炽热的气体组成。它由太阳内部和太阳大气层两大部分组成。太阳内部主要成分是氢,占总质量的78.4%,其次是氦,占 19.8%,此外还有碳、氮、氧、氖以及镍、铁、镁、铝等各种金属。大气层从内到外又分为光球层(也称日光层)、色球层和日冕三个层次。人们肉眼看到的太阳光面就是光球层,厚度500千米左右,温度近6000摄氏度。色球层由无数燃烧着的火舌组成,各处厚度不一,平均厚度达几千千米,温度由下到上约为 5000 ~ 30000摄氏度。该层产生一种能量爆发现象,叫做耀斑。日冕厚度达到几百万千米以上,温度可达 100万摄氏度,但其密度很小,平均密度不到每立方厘米 10-14克,其光度微弱,只有光球的百万分之一,观察起 来非

常困难。这

正是发射探测器就近对其

进行观测的缘由所在。

太阳中心的温度高达1500万摄氏度,为热核反应创造了条件。太阳上存在着大量的氢,氢原子核由一个质子组成,四个氢核即四个质子聚合在一起形成一个氦核,并释放

出多余的能量。这种热核反应产生的巨大能量被释放出来,形成太阳的光和热。一克氢聚变成氦时,放出1500亿卡热能,可把1500 吨水从 0加热到 100摄氏度。太阳上每秒钟约有6亿吨氢进行热核聚变反应,释放出 90亿亿亿卡的热量,足见其释放能量之大了。人类在两千多年前就发现太阳的表面上有黑子,引起古人产生了多种猜想。自从17世纪望远镜出现之后,科学家用其不断观察太阳,人们才逐渐认识到黑子是太阳表面上的一种气体活动现象,乃系一些温度较低的区域。黑子表面温度约4500 摄氏度,比光球层低1000多摄氏度。太阳黑子有大小之别,小的直径二三千千米,只有几天或数小时就消失,大的直径超越10万千米,可维持几十天甚至一年多的时间。黑子多出现在日面南北纬5度至 25度之间,且以11年为一次盛衰变化周期。同时,太阳还不断地喷出高速高温带电粒子流,形成吹遍整个太阳系的强劲的超音速气流,称为太阳风。由于地球大气层的阻拦和磁场的屏蔽,太阳风不能直接到达地面。在正常情况下,太阳连续不断地向外喷射能量较低的平静太阳风,它是由质子和电子组成的等离子体,平均速度为每秒400千米。在太阳耀斑活动之时,它抛出主要由氢核和少量氦核组成的粒子流,叫做扰动太阳风,温度可达几百万摄氏度,速度为每秒1000 千米~ 2000千米。日冕变幻、黑子 时现、太阳风劲吹,这都是太阳磁场导致太阳大气活动的结果。

除了普遍磁场外,日面上还有以11年为周期而变化的与太阳活动密切相关的局部磁场。当局部磁场强度达到极大值时,就到了太阳活动峰年,然后它逐渐减弱,太阳活动也逐步衰落下去。

为了逐步弄清太阳活动的机理,人类在进入航天时代以后,在继续使用各种望远镜对日进行观察的同时,还发射多个航天器对其进行探测。

对太阳已进行的航天探测

太阳系轨道中太阳是行星之王,其活动与人类生活息息相关。太阳活动高峰年时,人被太阳风暴袭击一次,相当于做多次X射线透视。虽然太阳烈焰的炽热和黑子的神秘令人神往,但它的高温又阻止着探测器的亲近。自上世纪60 年代以来,世界多国都不遗余力地发射了各类太阳探测器,如苏联的质子号、宇宙号卫星,美国的太阳神号、先驱者号、旅行者号探测器等,都肩负着观测太阳的使命。

围绕地球运行的人造卫星,在太空中通过观测,方使科学家们了解到太阳风乃是太阳周围带电气体强大的电磁波释放形成的。其大部分为氢气的带电气体,从太阳向外部各个方向喷出。推动太阳风的是强电磁波,它能穿越太阳大气层的等离子气体即日冕,将太阳表面的能量转移给太阳风。人类除了利用人造地球卫星、空间站、深空探测器、月球观测站以及运行在日地连线平动点垂直面晕轨道上的航天器观察太阳获得数据资料外,还发射携带多种科学仪器的专用太阳探测器更清楚地对其进行观察,并获得了一定成果。其突出

事例就是太阳神号和尤利西斯号探测器。

由美国和西德研制的太阳神1 号和 2号两个探测器,分别于1974 年12月10日和1976年1月15日发射升空,它们都装有等离子体探测器、磁通门式磁强计、线圈式磁强计、射电探测仪、空间望远镜、电子探测仪、黄道光光度计和微流星分析器八种科学仪器,主要用来研究太阳、太阳与行星关系和水星轨道以内的近日行星际空间,探测太阳风、行星际磁场、宇宙线、微流星体等。太阳神1号到达近日点为 0.309 个天文单位(1天文单位约 1.5亿千米)的日心轨道,而于 1976 年 4 月 17日抵达该点的太阳神2号更是创造了 0.29 个天文单位的距离日心记录。这两个姊妹探测器的近日点刚好都在水星的绕日轨道0.387 个天文单位之内。

1972 年 3 月 2 日、1973 年 4月6日、1977年8月20日和9月5日,美国先后发射了先驱者10 号、11 号和旅行者2 号、1号探测器,它们在探测外行星的同时,也都肩负着观测太阳的使命,并发回大量有关太阳风和星际磁场的测量数据以及变化情况。

1990 年 10 月 6日,美国用发现号航天飞机发射了尤利西斯号太阳探测器,这个重385千克用钚核反应堆做动力的探测器,第一次全方位地观测了太阳,把对太阳的探测活动推向一个新的阶段。

“尤利西斯号”载有总重55 千 克的10种科学仪器,设计寿命5年,主要任务是探测研究太阳风的特性、太阳与太阳风界面的结构、日光层磁场、太阳射电爆发等,以加深人类对太阳及其周围环境特性的认识。

1994 年 5 月至 9月,“尤利西斯号”飞越太阳南极区上空,1995年2月,它从近日点穿越黄道面,1995年5月至9月,它飞越太阳北极区上空。此后,它又奔向远日点,并于1998 年 2月再次穿越黄道面。由此可见,它沿工作椭圆轨道飞行一圈所用的时间为6年,这使它成为人类成功发射的第一个完全在黄道面外飞行的太阳探测器。按照原定的设计寿命, “尤利西斯号”在1995年9月飞掠太阳北极区上空之后,即应停止工作,结束探测使命。但令人惊喜的是,它继续在工作轨道上正常飞行。这样一来,它于 2000 年和 2001年依次第二次飞越太阳南、北极上空,并于2006 年和 2007年先后第三次飞越太阳南、北极上空,以超越两倍的工作时间和探测研究完成了肩负的任务。最终于美国东部时间2009 年 6 月 30日 16 时 15分完全关闭了信号接收机和发射机,至此“尤利西斯号”已在太空遨游了 18年9 个月的时间,行程约 90亿千米。

即将发射的新型太阳探测器

美国宇航局计划明年夏天利用其推力最大的德尔他-4型火箭在位于佛 罗里达州的肯尼迪航天中心向太阳发射帕克号新型探测器。

“帕克号”由美国约翰·霍普金斯大学应用物理学实验室设计制造,耗资 15亿美元,重 685 千克,大小近似于一辆小汽车。它升空后大概需要近7年时间,经多次飞越金星才能抵达太阳附近,将在距离太阳日光层表面 600万千米上空的轨道上观测日冕活动,开启人类探测器首次亲近太阳的旅程,以进一步了解太阳风等奥秘。

20世纪60年代,观测发现由太阳喷出的连续带电粒子流存在一个从亚音速到超音速的突变,德国天文学家路德维希·比尔曼将其称为太阳风。此前芝加哥大学的太阳物理学家尤金·帕克于 1958年第一个预言了太阳日冕会出现这样的一个跳变。同年,美国科学院辛普森委员会就提出了一个可以来回答这些问题的探测任务,它会在距离太阳日光层只有4 个太阳半径即 278.4 万千米之处来测量太阳粒子和磁场。虽然在当时看来这似乎是一个了不起的想法,但最初的方案还是太过冒进了。目前的计划则有所改变,探测器与太阳的距离在原来方案的基础上虽然增加了2倍多,更容易实现一些,但仍是前往从未被探访过的区域,还是近距离地探测太阳。正缘于此,美国宇航局科学考察局副局长托马斯·祖波森宣布,将这个探测器命名为帕克号太阳探测器。出席发布会的今年90岁高龄的帕克教

授说:“能够与这一英勇的太空使命联结起来,我深感荣幸。”他表示: “太阳探测器正在进入一个从未被探索过的空间区域,这很令人兴奋!人们想对太阳风中发生的事情进行更详细的测量,相信会有一些惊喜。”帕克是第一位名字被美国宇航局用来命名航天器的仍然健在的科学家。根据美国宇航局的见解,此次计划探索最新的观点有助于理解恒星如何运转的相关物理学,以及太阳与行星、地球的关系,并且能提高天气的预测能力,改善会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太空卫星和航天员的观测,从而取得多方面的成果。

太阳磁场周围存在许多未解之谜。主要的一个就是为什么太阳每11年会转换一次磁性,从几乎没有太阳黑子的虚弱体转变成会喷射太阳耀斑的怪物,随后在再次转换磁性之前变回虚弱体。太阳探测器肩负任务的一项重要内容就是探测磁场及太阳的其他部分以预测下一次喷向地球的太阳耀斑将发生于什么时候。强烈的太阳耀斑会损坏卫星及输电线路。

上述 600万千米的近日轨道表明,“帕克号”将直接飞入太阳大气 最外层的日冕层,开创人类航天器首次亲近太阳的先例。当探测器抵达太阳近日点时,在600万千米的这个距离上太阳会比从地球上看上去大 23倍,亮度和热量则会高出500 倍。

这是人类第一次可以触摸、品味、嗅闻我们的太阳。太阳表面的温度高达 5500 摄氏度,探测器所处的轨道温度也在 1000摄氏度以上。为此,科学家们将为探测器穿上厚达12 厘米的碳复合外衣,可承受高达1400 摄氏度的高温和辐射。在最靠近太阳的地方以时速72万千米的速度飞行,比已经飞出太阳系的“旅行者1号”还要快3倍,这将是航天事业有史以来飞行速度最快的空间飞行器,并承受此前没有任何航天器曾经承受过的高辐射风暴。

“帕克号”携带的科学仪器有一台磁力计、一台等离子波探测器、一台尘埃探测器、一些电子和离子分析仪,都将保持在地球室温的环境下,主要用以追溯太阳风的起源,以及探究太阳风是如何在日冕层实现加速的。同时,最让科学家们兴奋的是它上面还将携带一个半球成像仪,虽是一台望远镜,但却能够像医学CAT扫描仪 一样拍摄出太阳日冕的三维图像,让人类看到其内部结构。

当太阳发生强烈活动,造成大量的带电粒子流所形成的太阳风就会吹向地球的南北极,在两极的电离层形成美丽的极光,也会让地球电磁场发生变化。一直以来,科学家们无法准确预报太空天气,而这项最新的探测任务可以帮助预测有关太阳的重大事件。日冕层的不稳定性导致发生太阳耀斑和高磁物质喷射现象。当这些物质抵达地球大气层时,便会引起太空天气变化,改变地球磁场和辐射水平。由太阳释放出来的太阳风以每小时超过 100万千米的速度吹过地球,这些高速带电粒子流会干扰地球的磁场,并向辐射带注入能量。科学家们认为,太阳超级风暴可能损毁像电网、通信卫星这样的脆弱基础设施,但如果这些基础设施的管理方能够事先得到太空天气变化的预警信息,及时采取紧急防护措施,这些损失可以降低。“帕克号”获得的观察资料与研究成果将会在这方面为人类提供帮助。

科学家们计划,“帕克号”在长达 7年的探测任务中,7次借助金星之力飞进日冕层执行探测任务,预计2024 年 12月靠近太阳,它从太阳近处飞过的次数将达到24次。金星的引力可以轻微改变探测器轨道让它一次比一次更深入地潜进太阳大气层搜集太阳风和太阳磁场的第一手资料,进而获得前所未有的研究成果和结论。这次探日任务预计于2025 年 6月结束。

除了美国宇航局,欧空局也在准备一项太阳探测计划,但其探测器抵达日光层表面的距离不会像“帕克号”那样近。欧空局的太阳轨道探测器也将在肯尼迪航天中心发射,但发射时间不会早于 2018 年 10月。这两项计划将相互协同,从不同位置对相同事件进行互补性观测,以便获得更多更好的效果。★

▲ 帕克号太阳探测器 ▲ 尤利西斯号太阳探测器

▲ 旅行者号探测器

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