“帕克”逐日,史上最接近太阳的航天器发射—新闻—科学网

 
作者:郑永春 来源:腾讯科技 发布时间:2018/8/11 13:23:32
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“帕克”逐日,史上最接近太阳的航天器发射

        

8月11日,美国国家航空航天研制的“帕克”太阳探测器,从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地第37号发射台发射升空。该任务耗资15亿美元,将奔赴太阳,经过7次变轨,开展为期7年的太阳观测任务。根据天气预报来看,正常发射的概率为70%。
 
探测太阳的勇士
 
太阳那么热,“帕克”能去成吗?
 
我们知道,人类航天器已经抵达了月球、火星,甚至是十分遥远的冥王星,但它可以近距离探测太阳吗?
 
当然可以,而且已经去过多次了。“帕克”并不是第一个。
 
1974年12月发射的赫利俄斯1号探测器,与太阳的距离小于4700万千米;
 
1976年4月发射的赫利俄斯2号探测器,与太阳的距离小于4400万千米;
 
1990年10月,尤利西斯号太阳探测器通过航天飞机发射升空。这颗由欧洲和美国联合研制的探测器,探测了太阳磁场、日珥和日冕物质抛射。1994年,尤利西斯号飞越太阳的南极,1995年飞越太阳的北极。2001年12月,尤利西斯号完成第二次绕太阳飞行。
 
2004年8月发射的信使号水星探测器,与太阳的距离约为5800万千米;
 
2018年8月11日下午3:33,“帕克”太阳探测器在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射,搭乘德尔塔IV重型火箭,开始它的逐日之旅。
 
“帕克”太阳探测器,将在距太阳表面640万公里的范围内,直击太阳巨大的热量和辐射。这一任务,将提供有关太阳活动的新数据,揭开日冕的奥秘,预测影响地球的重大空间天气事件,保护地球生命安全,改变我们对太阳的认识。“帕克”将成为史上最靠近太阳的航天器。虽然我们仍然不敢直接抵达太阳的表面,给它量体温,但这将是人类航天器飞向太阳的第一步。
 
 
直面太阳的“帕克”
 
 
太阳系唯一的王者
 
太阳,是太阳系唯一的恒星,也是我们的太阳系中唯一的、绝对的主宰。它以巨大的质量,难以抗衡的引力,成为了太阳系绝对的王者,牢牢地束缚太阳系内的所有天体,让它们都乖乖地绕着它转。
 
在地球这样的行星世界上,一切都是变化的,而唯一不变的就是,太阳系中所有其它天体,都是围绕着它运转的。即便是行星的卫星,在绕行星运转的同时,也绕着太阳在运转。世界潮流浩浩荡荡,千万不要跟趋势为敌。
 
尤其是我们的地球,就像一个柔弱的婴儿一样,地球上的万物生长,全靠太阳发出的光和热。甚至,太阳依靠它的引力和热量,推动着地球物质的演化进程。
 
几十亿年来,太阳“热”情不减。巨量的氢和氦,这两种宇宙中最主要的元素,在太阳内部进行着剧烈的核聚变反应,释放出巨大的热量,膨胀的气体构成了这太阳系王者的身体。在高速旋转中,太阳发出人类世界所能看到的最耀眼的光芒。地球历史上出现过的无数物种,想必一出世,就会被它的光芒震撼和折服。
 
看,它已经在热烈地迎接此次探访的“帕克”太阳探测器。只是,要小心,别被它的热情熔化成了蒸汽!
 
首次以健在科学家的名字命名
 
人类探索太阳系的宏图大业再次开启。帕克太阳探测器,于2018年8月11日正式发射升空。其中,8月11-23日每天都有发射机会,属于发射窗口期内。
 
发射之后,“帕克”将于2018年10月2日晚上19:45(美国东部时间,相当于格林威治标准时间23:45),从金星附近飞过。2018年11月5日,第一次抵达近日点。
 
帕克太阳探测器,最初的名称为“太阳探测器+”。2017年,该任务被命名为“尤金·帕克”太阳探测器,以芝加哥大学天文与天体物理系S. Chandrasekhar杰出服务教授“尤金·帕克”的名字命名。
 
 
帕克(Eugene N. Parker),现年91岁,天文学家,芝加哥大学荣休教授
 
20世纪50年代,帕克就提出了恒星的能量释放机制的理论,可以用来解释太阳的能量释放。他预言了太阳风的存在,在他之前,科学界认为地球到太阳之间是彻底的真空。帕克海建立了构成太阳风的等离子体、磁场和高能粒子的复杂系统。太阳上的日冕的温度,反而比太阳表面更热,这与根据物理定律的预计正好相反,帕克对日冕过热的原因提出了理论解释。此次,美国国家航空航天局首次以尚在人世的科学家,来命名航天器,是对一个科学家的重要褒奖,表彰他在太阳研究方面的杰出贡献。
 
只为探测日冕和太阳风
 
遇到日食,如果运气好的话,当太阳最亮的部分被月亮的影子遮挡之后,戴上日食观测镜——采用专业的减光片或减光膜,你就可以观测到位于太阳外层的日冕层了。切记,千万不要直视太阳!千万不要直视太阳!千万不要直视太阳!重要事情说三遍——如果你不听,保险公司可不管赔呦!
 
 
日食期间看到的日冕
 
日冕的温度很高。我们说一个人热情,常用“热情似火”来形容;但用这样的词来形容太阳,就只是一句废话了。我们测量温度用的酒精温度计、煤油温度计、水银温度计,甚至热电偶温度计,统统都弱爆了,完全无法给太阳量体温。为了让我们有限的知觉,能理解这超出量程的爱,科学家们便通过测量它发出的能量(热和光)的多少来描述:
 
太阳核心区的温度可达1000万到2250万摄氏度;
 
太阳表面(光球层)温度约为5,500摄氏度;
 
太阳外层大气(日冕层,日食期间可以看到)的温度可达150万到200万摄氏度。
 
日冕为什么这么热呢?这是“帕克”要回答的第一个问题。“帕克”将首次飞入太阳的大气层(或日冕),开展现场测量和成像,彻底改变我们对日冕的认识。
 
“帕克”要探测的另一个对象,是太阳风。
 
太阳风其实不是风,而是一种连续的粒子流,主要由各种带电粒子组成。当日冕层中存在磁场异常的时候,就会形成持续数月甚至数年的冕洞。科学家给太阳做了一个X射线透视,发现冕洞是黑色的,说明这个地方的磁场不够强,导致带电粒子被抛向太空。因此,而当太阳自转时,太阳风就被像纸风车旋转那样,被从太阳上甩出来。
 
光只需要八分钟,就可以从太阳抵达地球。但太阳风跑得没有这么快,它的平均速度约为400千米/秒,需要4天半才能到达地球。这就为预报太空中的天气状况提供了时间差。当科学家侦察到太阳活动出现异常时,就可以及时发出预警信号,提醒地球上的人们,尽早做好应对太阳风的预案。
 
 
地球磁场保护着人类免受太阳风的袭击
 
别看太阳风的奔跑速度没光快,但当它在穿越太阳系空间时,将影响整个太阳系的各种星球。对靠近或飞离太阳的彗星,它会冲击彗星,产生长长的尾巴;对地球和其他行星上的大气层,它会使大气分子被电离,形成漂亮的极光;对地球上空的卫星,它会损坏卫星上的电子元器件,导致卫星无法正常工作,通信信号中断;但它也不是一无是处,太阳风在太空中可以推动巨大的光帆,成为宇宙飞船在太空中飞行的动力。
 
此次,“帕克”将飞到高温和太阳辐射的危险区域,观测从亚音速加速到超音速的太阳风,飞越能量最高的太阳粒子发源地,扩展我们对太阳风起源和演化的认识。
 
为什么要这么靠近太阳
 
人类天生就好奇,而“帕克”就像一个好奇小子,“赴汤滔火”的目的,是揭示太阳之谜。
 
第一个谜团,为什么太阳光球层,也就是太阳表面的温度,没有太阳的大气层,也就是日冕层的温度高。太阳光球层的温度约为5500摄氏度,而日冕层的温度是200万℃。我们通常认为离热源越远,温度越低,可是为什么离太阳内核越远的日冕层,反而会比光球层的温度更高呢?
 
第二个谜团,太阳沿各个方向喷射出速度高达每小时上百万千米的带电粒子,形成了太阳风。科学家知道太阳风已经很久了,因为早期的观测者注意到,当彗星划过时,无论朝哪个方向运动,尾巴总是背向太阳,这表明太阳风的速度比彗星的速度更快。但太阳风究竟是怎样加速的,至今仍在吊人胃口。
 
第三个谜团,太阳不仅会吹出太阳风,还会间歇性地发射出太阳高能粒子。这种粒子对在太空中飞行的宇航员和宇宙飞船造成了威胁。只有了解太阳高能粒子是怎么产生的,何时会爆发,我们才能分析应对措施,保护人类走向深空。
 
“帕克”需要尽可能接近太阳,是因为科学家有特殊的癖好。首先,太阳上的日冕不稳定,产生太阳风,耀斑和日冕物质抛射,需要在源头进行研究!其次,数百万吨高度磁化的物质,以每小时数百万公里的速度,从太阳喷出。这一速度,相当于在几秒钟内,从北京到广州!为什么会有太阳风?为什么太阳风跑的这么快,它是如何加速的?最后,日冕比太阳表面还要远离太阳内核,为什么温度反而更高?
 
我们只能通过与太阳的亲密接触,才能回答这些问题。
 
如何避免航天器被烧坏呢?
 
虽然,此前已经发射过多颗太阳探测器,但他们其实都在地球附近飞行,远离太阳。遥远的距离,使得航天器探测的清晰度,也就是空间分辨率和灵敏度都受到限制,我们并不清楚,太阳上究竟发生了什么。关于太阳的一些谜团,很难从离它1.5亿千米远的地球附近找到答案。
 
2018年开始,为了解开日冕的神秘面纱,同时为了预报空天天气,保护地球和人类社会,“帕克”将在七年内,七次飞越金星,逐步缩小环绕太阳的轨道。
 
 
“帕克”借助金星的引力,逐步拉近与太阳之间的距离
 
似乎每年夏天都会冒出来新闻,告诉大家这似乎是有史以来最热的夏天。地球与太阳的平均距离约为1.5亿千米,就已经让我们感觉非常热了。如果你到太阳的距离,靠近到仅为地球到太阳距离的25分之一,那又该有多热呢?“帕克”与太阳最近的距离,为616万公里,比水星更靠近太阳,比之前任何航天器与太阳的距离,还要近七倍。
 
但越靠近这个天然的超级火炉,那逼人的王者之气,就越让人热得难以忍受。航天器近距离靠近太阳,主要的挑战来自上千摄氏度的高温。为了开展这些前所未有的探测,“帕克”特别配了一把“遮阳伞”,科学家设计了采用碳复合材料制成的隔热罩,厚达11.43厘米,可以承受飞船外部1377摄氏度的高温。要知道,铁的熔点才1535摄氏度,普通铸铁的熔点才1200摄氏度左右,“帕克”要承受的温度,可以把铸铁都融化了。
 
光有隔热还不行,总会有一些热量透过隔热罩。因此,“帕克”还配备了特制的散热器,把多余的热量扩散到太空中,以免高温损坏探测仪器。在这些措施的保护下,居然可以让探测器中的仪器保持在室温状态。这样的空调技术,要是用在我的新房子上,夏天就能天天体验冰爽的感觉了。
 
不仅是高温,还有辐射。越靠近太阳,各种射线和粒子的辐射就越强。就可能击穿探测器的电路,特别是数据存储器和计算机芯片,导致它们丧失工作能力。为此,“帕克”也进行了各种防辐射设计,减轻辐射对航天器的伤害。为了“帕克”的“防暑降温”,科学家们可是绞尽脑汁,费劲了心机。
 
 
科学家为“帕克”的“防暑降温”绞尽脑汁,费劲心机
 
“帕克”此行的目的是更好地理解太阳,而理解太阳的目的,是为了更准确地预报太阳活动导致的空间天气,保护地球和人类的安全。祝福它一切平安,不辱使命。
 
 
 

 

 
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