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“帕克”:飞向太阳需要“智勇双全”

最熟悉的陌生人

科学家尼古拉·福克斯给出如此高评价的探测器是名叫“帕克”的太阳探测器。

众所周知,地球和人类都笼罩在太阳的光辉下,太阳对于人类来说如同空气般重要,而人类对它的了解却微乎其微。

 

目前,科学家们主要是依靠地球上的太阳望远镜去了解太阳,而太阳内部究竟是怎样的,也只能通过日震学和光谱分析等方式进行解读。太阳巨大又神秘,内部之复杂程度也超乎我们的想象,因此科学家们至今也没有清晰准确地摸索出太阳的运行机制。

太阳直径大约是139万公里,相当于地球直径的109倍,体积大约是地球的130万倍。从化学组成来看,现在太阳质量的大约3/4是氢,剩下的几乎都是氦,而氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%,采用核聚变的方式向太空释放光和热。

太阳从中心向外延伸可分为核反应区、辐射区、对流层和大气层。由于太阳外层气体的透明度极差,人类能够直接观测到的是太阳大气层,从内向外分为光球、色球和日冕3层。

非常有意思的是,在我们的日常生活中,离热源越远处温度越低,而太阳大气的情况却截然相反。

光球顶部接近色球处的温度差不多是4300摄氏度,到了色球顶部温度竟高达几万摄氏度。再往上,到了日冕区温度陡然升至上百万摄氏度。人们对这种反常增温现象感到疑惑不解,至今也没有找到确切的原因。

勇士不止“帕克”一个

从上世纪60年代以来, 世界各国发射了多个太阳探测器,如苏联的“质子号”“宇宙号”,美国的“太阳神号”“先驱者号”“旅行者号”等,它们都肩负观测太阳的使命。

1990年10月6日, 美国发现号航天飞机将尤利西斯号太阳探测器送入太空,该探测器将人类对太阳的探测活动推向了一个全新的阶段。通过研究“尤利西斯号”发回的数据,研究人员大大扩展了对由带电粒子组成的太阳风的认识。

美国宇航局2017年5月31日在芝加哥大学宣布,将于2018年夏天发射一个高约3米、身穿12厘米厚碳复合保护罩的帕克太阳探测器。不同于历史上的任何探测器,它将直接飞入太阳外层大气层日冕所在轨道上,探索和观测太阳外部,了解太阳风。

该探测器可承受高达1400摄氏度的炽热和辐射,而这个温度连钢铁都要被融化。它会在最靠近太阳的地方以72万公里/小时的速度飞行,这将是人类探测器首次如此近距离接触太阳。

2018年3月28日,美国马里兰州举行帕克太阳探测器的媒体预展。该探测器在被运往美国宇航局肯尼迪航天中心之前正在进行最后的测试。

根据最近一次日程调整,帕克探测器预计会在近期发射。这将是一个历史性的任务,是人类探测器有史以来首次进入太阳的大气层(或日冕),比以往任何一个航天器都更接近太阳。该探测器大概需要近7年时间、经多次飞越金星后才能抵达太阳。

为何它不怕热也不怕冷

帕克探测器的主要科学目标是了解太阳风如何加速,以及日冕极端高温的原因,这些都是很重要的科学和太空探测问题。

太阳会周期性地产生耀斑,还伴随着日冕物质抛射事件,此时太阳表面会释放大量物质和电磁辐射进入太空,危险的带电粒子可能会在整个太阳系产生影响。

帕克探测器能够如此近距离探测太阳,归功于它的高超热防护功能。这种神奇的防护罩位于用钛框架构造的大型散热器的顶部。在航天器飞往太阳表面的过程中,这种结构使航天器的有效载荷始终保持在阴凉黑暗的阴影中。

实际上,设计这艘飞船的科学家和工程师更关心的是,航天器上的科学仪器和设备在任务期间会冻结而不是融化。为了避免这种情况,这些仪器和设备的外部都用热毯包裹,并与单独的太阳能加热器配对,从而使这些仪器保持在约28摄氏度的舒适温度。

帕克太阳探测器是为了纪念太阳风科学的先驱、天文学家尤金·帕克而命名的,这是美国宇航局第一次以健在人物命名航天器。

相信帕克太阳探测器近距离探测太阳后,将回答一些长期以来困扰着天文学家的难题,有助于揭示太阳的运行机制,了解太阳与行星、地球的关系,提高人类预测太空天气的能力,改善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。

作者:钱航

来源:飞天科普周刊

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