作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2018/8/13 10:39:15
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向太阳飞去!帕克探测器将比以往更接近神秘日冕

在一束磁场线的推动下,炙热的等离子体射流从一个大小约相当于中国国土面积的小太阳黑子上升起。图片来源:BIG BEAR SOLAR OBSERVATORY & THE NEW JERSEY INSTITUTE OF TECHNOLOGY

在今年5月一个细雨蒙蒙的日子里,工程师Betsy Congdon蹲在美国马里兰州劳雷尔市约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)一个用箔纸包裹的用于测试的复制品旁边,这是一个碳泡沫隔热罩,比大床床垫宽一点,却要薄很多。它旁边还有另外一个副本:一个已经准备好的备件,被密封在金属桶里,上面印着略带讽刺意味的警告语:“不要暴露在阳光直射下。”

真正的原件已经被运往南部佛罗里达州肯尼迪航天中心。8月12日,它被固定在美国宇航局(NASA)帕克太阳探测器的一端,并在那里发射升空。6周后,该探测器将抵达金星。该行星的引力将使帕克探测器飞向太阳系的中心。此后再过6周,帕克将首次穿越日冕——由热带电粒子或等离子体构成的稀薄大气——从现在到2024年它将飞掠日冕20多次。

在这些飞掠过程中,隔热罩必须保证帕克探测器电子产品的安全,而其表面温度或可飙升至1370℃。这些热量并非来自于日冕内部上百万摄氏度的等离子体,因为日冕很薄,因而无法传递太多能量;它们来自于强烈的日光。然而,Congdon并不紧张。“我们已经让它经历了所有考验。”她的声音在宽敞的探测器组装室内回荡着。

靠近太阳

如果一切顺利的话,位于隔热罩下方的处于安全中的帕克探测器将会传回日冕等离子体和形成它的复杂磁场网络的记录。这些数据将有助于解决一些根本性的谜团。例如,是什么将等离子体加热到太阳表面温度的200倍以上?由等离子体流构成的太阳风如何逃逸到太空?自从1958年与帕克探测器同名的太阳物理学家Eugene Parker(尤金·帕克)描述了太阳风以来,这一物理现象就一直是个谜。更好地理解它有助于帮助今天的研究人员改善对太阳风暴(会撞击地球磁场,并可能摧毁卫星和电网)的预测。

帕克探测器的“太阳之旅”将会实现像美国太空计划本身一样的雄心。1958年,苏联的“斯普特尼克”号卫星的成功仍让美国心有余悸,于是担任美国国家科学院(NAS)委员会主席的早期太空物理学家John Simpson和James Van Allen“头脑风暴”了一系列任务。从科学角度讲,这些任务将会让美国在太空研究中处于领先地位。其中的一个想法是发射一枚探测器,将其送入水星轨道以探测太阳等离子体。

到21世纪初,NASA和NAS都将太阳探测器作为首要任务。其最终结果——帕克探测器将到达距离太阳0.04天文单位(AU,一个天文单位为日地间的平均距离)之内。这一距离相当于水星轨道的1/10,也是目前纪录保持者——由西德和NASA于20世纪70年代中期制造的赫利俄斯号探测器——的1/7。

随着在其椭圆轨道上越来越接近太阳,为了防止过热,帕克将把太阳能板隐藏在隔热罩的阴影下。而当其距离太阳较远时,它将会把太阳能面板展开,以便捕捉到太阳光,同时一个泵激系统会用水让它们冷却。

面向谜题

太阳的可见表面——光球层温度在5500℃左右。小学物理课程认为,由于日冕距离太阳核心的热源更远,其温度应该会下降。但与此相反,它们的温度却飙升到超过一百万摄氏度。

太阳物理学家为这种额外热量的来源争论了几十年。至少在总体上,他们是一致的。这种能量可能开始于光球层的运动,或者就在它下面。天文学家在那里看到了颗粒——沸腾的、不断移动的大小相当于得克萨斯州的“细胞”。

它们是对流等离子体气泡,像大蒸锅一样沸腾着,携带着巨大的动能。科学家也认为是磁场在把能量向外输送。即将到来的任务或将有助于分配日冕的热量收支,尽管马萨诸塞州史密森尼天体物理观测中心太阳物理学家Kelly Korreck对此十分谨慎:“没有一个望远镜能够肯定地找到答案。”

帕克探测器还将探索今年91岁的伊利诺伊州芝加哥大学物理学名誉教授Parker留下来的谜团:是什么驱使带电粒子以每秒数百公里的速度向外扩张?在日冕深处,太阳磁场对等离子体有很强的抑制作用。但在这之上的某个地方,粒子运动的速度足以摆脱太阳的引力,逃逸到太阳系。这就是“奇迹发生的地方,太阳风在那里被加速到如此大,然后它就起飞了”。该探测器项目科学家Nicola Fox说,“我们将会到达那个区域。”

太阳风像日冕一样,似乎违背了基本的物理原理:当它开始扩散到太阳系时,应该会冷却并减速。但它不是。有什么东西在不断地推动它向外运动——或是粒子沿着螺旋路径释放的能量,或是等离子体湍流风的消散。通过记录太阳风穿过等离子体时的小规模物理现象,帕克探测器将精确定位太阳风的起飞位置,并缩小可能启动它的机制。“我们都知道‘魔鬼藏在细节中’。”Fox斯说。

“变革”任务

耗资15亿美元的帕克探测器并非唯一一个瞄准太阳的大型太空项目。在夏威夷毛伊岛,天文学家正在对Daniel K. Inouye太阳望远镜(DKIST)开展最后的工序,这是由美国国家科学基金会资助的耗资3.5亿美元的项目。DKIST有一面4米高的镜子,是现存最大太阳望远镜规模的两倍多。当其在2020年6月开始运行时,它将以无与伦比的清晰度放大太阳表面。同年,由欧空局资助的耗资7.8亿欧元的太阳轨道飞行器也将发射。该探测器将从比帕克稍远的地方观测高能辐射在日冕处形成的涟漪。

“我认为这些都是具有变革性的任务。”美国国家海洋和大气管理局下属科罗拉多州博尔德太空气象预测中心首席科学家Howard Singer说。Singer和同事除了为卫星和电网运营商提供太阳活动预测之外,也为在两极附近飞行的宇航员和航空公司提供相关预测——在那里,具有穿透性的高能粒子更容易通过地球磁场。

接下来,DKIST将详细观察喷出耀斑的磁性结构。太阳轨道飞行器将测量太阳远侧的磁场,并测试在强磁场旋转进入视野之前对其进行监测能否提高未来的预测。帕克探测器将能通过测量日冕中小耀斑爆发情况,改进太空气象模型。

该团队成员希望这次它能够幸运地通过日冕物质抛射(CME),即非常罕见且剧烈的太阳活动。它会发出密集的粒子团,从而压倒地球磁场,削弱通信技术。

但所有这些工作仍在进行。Congdon的目标几近结束。隔热罩已被紧紧地固定在帕克探测器上,准备飞往太空。她已经预订了8月份发射窗口开启时去佛罗里达的机票,不过不是为了工作,而是作为一名游客在为APL访问者留下的特殊参观区域欣赏它。Parker也是如此,他将和家人一起前往。

Congdon说:“科学家脸上的喜悦,正是我们所寻找的。”

如今,这一切都实现了。(晋楠编译

 

《中国科学报》 (2018-08-13 第3版 国际)
 
 
 
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