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admin 优德88手机客户端 2019-09-06 299 0

本文刊载于《三联日子周刊》2018年第36期,原文标题《冲向太阳的勘探器》

帕克太阳勘探器(幻想图)

为了脱节地球重力的影响,想要把这个600多公斤重、一辆小汽车巨细的帕克太阳勘探器(Parker Solar Probe)送上轨道,需求比发射火星勘探器多出55倍的发射能量。尽管发射数次被推延,帕克太阳勘探器仍在2018年8月12日由一架巨大的德尔塔-4重型运载火箭(Delta-IV Heavy Rocket)送上了天空。这个让科学家们花费了数十年,耗资15亿美元的科学项目总算进入了一个全新的阶段。

与人类此前绝大多数的太空勘探项目不同,帕克太阳勘探器的方针是间隔地球最近的恒星——太阳。这也是美国航空航天局(NASA)“与日共存”(Living With a Star Program)科学项目的一部分,近间隔勘探太阳的活动,企图了解恒星的工作机制,以及它或许对人类社会形成的各种影响。

“让我们看看那里都有什么”

观看帕克勘探器升上天空的人群中有一个特别的白叟,他便是闻名的天体物理学家尤金·帕克(Eugene Parker),正是他在大约60年前首要提出了“太阳风”(Solar Wind)的概念以解说太阳的一系列疑团。现在发射的勘探器正是以他的姓名命名,这也是美国航空航天局初次以一位在世的科学家命名航天器。帕克在1958年第一次提出了直接勘探太阳风的想象,并留下了一句名言:“让我们看看那里都有什么。”(Let’s see what lies ahead.)这句话现在被刻在了帕克太阳勘探器的一个铭牌上奔向太阳。

在太空中,调整了航向的帕克太阳勘探器正在以超越每小时6.1万公里的速度向太阳行进,而且它还将不断加快,终究会抵达创纪录的相关于太阳每小时70万公里的速度,这也将发明人类制作的飞翔器的速度纪录。除了速度之外,帕克勘探器还将创下间隔太阳最近的人类勘探器的新纪录。此前,德国和NASA联合研发的“太阳神2号”勘探器(Helios 2 Spacecraft)曾经在1976年创下了间隔太阳4300万公里的纪录。顺畅的话,帕克勘探器将把这个纪录一举前进7倍。它将在2024年抵达间隔太阳只要610万公里的近日点(地球与太阳的均匀间隔大约为1.5亿公里)。

依照方案,帕克勘探器会在2018年10月3日第一次飞临金星,而且使用金星的引力场进行减速和调整航向,为它在2018年11月5日第一次抵达间隔太阳1500万公里的近日点,而且在接下来的12月开端向地球发送勘探数据做准备。这将仅仅是一个为期7年的太阳勘探项目的最初。依照方案,帕克太阳勘探器将会7次飞临金星,使用其重力场调整航向,而且24次围绕着太阳进行勘探,每一次它都会勘探太阳大气层一个彻底不同的区域,为地球发送各种勘探数据和相片。这将是解开困扰了人类上百年的有关太阳的各种科学难题至关重要的一步,必将为人类对太阳的了解带来革命性的影响。

对一个挨近的天体发射勘探器进行近间隔勘探,听上去水到渠成,可是比较于其他天体,对太阳进行近间隔勘探的困难清楚明晰——这个间隔地球最近的,也是人类仅有有或许勘探的恒星无时无刻不在开释巨大的能量,不加防备地企图挨近只会被烧成灰烬。正由于如此,这次耗费了科学家们数十年尽力的科学勘探,为了能使勘探器尽量挨近太阳,维护它最大极限地不受太阳热量的搅扰而正常作业,是最需求处理的工程问题。这个项目得以顺畅进行,正是依靠了人类多年来在热工学范畴研讨的前进。

约翰·霍普金斯大学使用物理实验室为勘探器规划了一套热维护体系(Thermal Protection System),使它能够在极点条件下作业。勘探器需求在几十万摄氏度的环境中进行作业,这之所以能完成,是由于尽管在这个区域的温度极高,可是由于太阳系内的空间物质密度极低,能够向勘探器的热维护体系传递能量的高能粒子的数量并不太多。依据科学家的核算,在几十万摄氏度的环境中飞翔,勘探器朝向太阳一面的温度大约会抵达1400摄氏度。这样的温度关于一个精细的科学勘探器来说依然极点风险,而在一个直径大约2.4米、厚11.5厘米的热盾的维护下,勘探器本身则能够维持在30摄氏度左右正常作业。

美国天体物理学家尤金·帕克

为了最大极限地阻隔热量的传递,这个只要60多公斤重的热维护体系使用了先进的碳复合资料,组成一个三明治式的结构,在中心夹着一层简直中空的11厘米厚的碳泡沫资料,以阻隔热量的传递。在这个三层碳复合资料构成的绝热结构之外,规划者还在它冲着太阳的外侧添加了一层白色的陶瓷涂层,以求最大极限地反射太阳热量。在测验进程中,这个热维护体系能够承受1600摄氏度以上的高温,足以保证勘探器的正常工作。

问题在于,并不是帕克勘探器的一切科学仪器都会躲在热盾的后边作业。它用来搜集来自太阳风的各种粒子样本的仪器在作业时就需求伸出热盾之外,它还需求在高温环境中能够丈量和读取太阳风中电子和离子的流量和飞翔视点,这需求特别的资料和规划。这一部分的勘探设备由钼锆钛合金资料制成,这种特别资料的熔点能够抵达2300摄氏度以上。除此之外,热维护体系还使用了大约37升的去离子水用作冷却剂。这套杂乱的体系将会在未来几年里承受太阳的检测。

日冕热量之谜

为什么要勘探太阳?真实是由于太阳关于人类来说过分重要。日子在地球上的人类所取得的动力,归根到底都是来自太阳的运送,生命离不开阳光普照。在此之外,现代日子又经常会遭到太阳的搅扰。“太阳风”的迸发会产生出许多高能粒子,这些粒子通过日冕的加快能够抵达光速的一半,“吹遍”整个太阳系,对地球产生影响。

太阳活动剧烈的时分,这些高能粒子会以每秒几百公里的速度掠过地球,有或许影响地球的磁场,而且严峻搅扰人造卫星的作业,要挟宇航员的生命安全。想要把握太阳的活动规则,精确猜测太阳系内的气候改变状况,保证人造卫星的工作和宇航员的安全,除了规划各种模型,进行理论核算之外,最重要的便是能够使用人类的勘探器挨近太阳,进行实地勘探。

除了实践日子的需求,对太阳进行科学勘探关于人类世界学的开展也有着至关重要的含义。在可预见的未来里,太阳都会是人类仅有有或许进行实践勘探的恒星。了解太阳的结构,有助于人类了解恒星的活动规则,加深对整个世界的了解。除此之外,关于太阳本身,尤其是关于日冕部分,人类还有许多持续多年的困惑,帕克太阳勘探器的作业有或许协助人类一举处理这些难题。

在太阳的外层,所谓的日冕区域为什么会抵达这么高的温度,其能量从何而来,一向是一个科学疑团。太阳的大气层(日冕)要比其外表温度高出许多。在日冕外层,温度能够超越100万摄氏度,而向内1600公里抵达太阳的外表,温度则只刚刚超越5000摄氏度。怎么解说太阳外层不同区域之间相差了几百倍的温差,是天文学多年来最大的疑团之一,这被称为“日冕热量之谜”。

由于太阳过于耀眼,就连发现关于它的难题都不是一件简略的作业。在具有各种高精度的观测仪器之前,人类大多只能在发作日全食的时分对太阳进行观测。当月亮刚好挡住太阳中心的主体部分,人类就能够借机观测其周边的日冕区域,剖析其频谱构成。在1869年的一次观测中,人们剖析日冕的光谱,成果发现了一条从未有过的绿线。发现此前未见的谱线往往阐明发现了一种全新的元素。德国科学家安东·古伦华德(Anton Grünwald)为这种从未在地球上发现过的新元素命名为“氪”(Coronium)——直到20世纪30年代才由瑞典科学家本特·艾德伦(Bengt Edlén)发现,那个有目共睹的绿色线条并非表明存在一种新元素,而是阐明晰铁离子的存在。由于过热,铁原子失掉了本身一半的电子成为离子,才呈现出了一条古怪的谱线。但问题在于,通过核算,人们发现想要铁原子失掉多达一半的电子,需求抵达超越100万摄氏度的温度,这才认识到了日冕热量之谜。

日冕不只温度极高,还能够一向坚持这个温度,阐明有着连绵不断的能量供给。想要在理论上处理这个问题,首要需求树立一些模型。正是在20世纪50年代,其时在芝加哥大学任教的物理学家尤金·帕克首要提出了一系列关于恒星怎么开释能量的模型。在这个杂乱的模型中包含了等离子体、电磁场和高能粒子等杂乱的物质和物理进程,简略描绘也便是现在人们说的“太阳风”。帕克提出,或许存在一种叫作“毫微闪焰”(Nanoflares)的现象形成了日冕的高温。而除了用这种能够产生出纳米级耀斑的毫微闪焰模型来解说日冕热量之谜以外,还有别的一种理论认为日冕外层的能量来自于电磁场。电磁场让带电粒子快速旋转,然后取得巨大的能量。

这两个用以解说日冕热量之谜的理论模型各有支持者,更多科学家认为,真实原因很或许是两种要素都在起作用,由于这两个理论并不彼此排挤,很或许一起造就了太阳外层的高温。除了这两种首要理论之外,还有其他各种理论企图解说日冕热量之谜,想要真实解开日冕热量之谜,就需求具体了解太阳风的构成。而太阳风要花费4天时刻才干穿越1.5亿公里的间隔抵达地球,此刻太阳风的粒子现已和空间中的其他粒子相混合,失掉了本身的特色,没有太大的研讨价值。因而,想要终究处理这个问题,别无他法,只能向太阳发射一个勘探器,近间隔搜集太阳风的粒子。

在极点的作业条件下,帕克太阳勘探器带着的四组科学勘探设备将会协同作业,为地球发送最具价值的太阳信息:由加州大学伯克利分校空间科学实验室制作的“FIELDS”仪器,会通过3个磁强计与5个长达2米、伸出热盾维护之外的天线来勘探日冕区域的电磁场;由美国海军研讨实验室制作的“WISPR”设备是帕克太阳勘探器带着的仅有一个摄像设备,它能够使用两个相机来拍照日冕区域太阳风和冲击波迸发的场景,而且拍照日冕区域;由史密松天体物理台与加州大学伯克利分校一起制作的“SWEAP”设备则会直接搜集太阳风中的电子、质子和氦离子等物质,丈量它们的密度、速度和温度,用以剖析太阳风的性质;由很多大学和实验室一起规划制作的“IS~IS”仪器,将丈量在不同能量区域的粒子,以剖析它们的来历和运动轨道。帕克太阳勘探器每一次绕日工作都将与太阳同步工作,以此专心于同一个区域,研讨其温度的改变。

人类发射一个勘探器去勘探一颗恒星,这种本来只会在科幻小说中呈现的场景正在成为实际。人类或许难以幻想,帕克太阳勘探器在苍茫世界中通过几个月的游览,抵达近日点时所面临的场景。在间隔太阳仅有630万公里的方位,比较于从地球上调查太阳,这颗恒星在天空中大了25倍,也亮了625倍。人类由于本身的约束,或许永久无法直面这样的奇迹,却能够制作出勘探器替代自己去身赴险境。在使命完毕后,帕克太阳勘探器将会分解成较大的几个部分,从而逐步分解成更小的几个部分,持续围绕着太阳工作。终究,这个来自地球的勘探器将会消失在百万摄氏度高温的日冕中,成为日冕的一部分。

自从人类文明的诞生之日起,太阳在一切文化中就具有极为特别的含义。这颗恒星为一切生命供给了光和热量,它强壮、无情,不行违反,有如神明的化身,它稍有反常都会引起人们的惊惧,认为这是来自于不知道的某种警示。现在人类制作出勘探器去自动挨近和勘探太阳,这也标志着人类文明离开了襁褓,总算有才能直面决议着本身命运的恒星。

(本文写作参阅了美国航空航天局网站及其他相关组织的报导)

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