科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空

2018年8月13日06:44:10科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空已关闭评论 340 views

撰文 | 庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家

在经历了因火箭异常而推迟1天发射之后,2018年8月12日北京时间下午03:31,美国终于从卡纳维拉尔角空军基地第37号航天发射台用德尔他四号重型运载火箭成功发射了举世瞩目的“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空  德尔他四号重型运载火箭是美国现役并已执行任务的最大型运载火箭,这种火箭可以将最多28.79吨的有效载荷送入近地轨道,将11吨有效载荷送入地球同步轨道,将11吨重有效载荷送上月球,将8.8吨有效载荷送入火星轨道。每枚造价约4亿美元
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”发射升空
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空发射“帕克太阳探测器”的德尔他四号重型火箭结构示意图

该太阳探测器的最大亮点是能“触及太阳”,让人类能够以最近的距离观察太阳。它将前所未有的接近太阳,在严酷的高温和辐射条件首次穿过太阳大气层日冕,是第一次正式探访恒星的人造物体,能首次对太阳进行全方位探测,嗅到、尝到太阳的味道,所获数据有望“完全颠覆”以往对太阳的认知。整个项目耗资15亿美元。由此,将掀起探测太阳的新高潮。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”研制团队在即将发射的探测器前合影。整流罩高19米

1。两大意义和两大谜团

太阳是地球的母亲,为地球上的生命提供光和热,使万物葱茏。但是太阳的一些变化也对地球上的生命和人类活动带来不利影响。例如,太阳耀斑爆发所产生的大量紫外线、X射线、γ射线和高能带电粒子,能扰乱地球磁场,引起磁暴,破坏电离层,造成短波通信中断,甚至伤害地球上的生物;太阳风对地球的气候、电力和人造卫星也经常造成干扰,甚至威胁航天员的安全。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳风经常会对地球产生影响,但地球的磁场在一定程度上可保护大气免遭太阳风的侵害

由于太阳是维持地球上一切生命的基础,所以来自太阳的各种波段的能量、动量和质量的变化,制约着地球空间环境的结构和变化。太阳的爆发性活动,则是各种灾害性空间天气的源。因而,对太阳进行全方位的深入观测和探测有两大意义:一是作为宇宙中唯一可以进行高空间分辨表面观测的恒星而具有的天体物理学上的重要性;二是由于人类依存于太阳,所以需要认识太阳的变化及对人类的影响。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳日珥喷发与地球的比较

因此,自古以来人类就不断在研究太阳,并逐渐掌握了不少有关太阳的知识。太阳大气从里向外分为光球层、色球层、过渡区和日冕。但是,由于受技术水平限制,目前人类对太阳的了解还是不够深入,仍有不少未解之谜。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳的结构

例如,光球层温度大约为6000°C,而日冕的温度可以达到100万°C~200万°C。这是一奇特的现象,它困扰了科学家多年,因为根据常识,离太阳表面越远时,温度应该越低,但事实却正好相反。太阳外部大气层——也即日冕的温度,比太阳表面温度还要高上数百倍。这一反常的现象意味着什么,科学家至今仍未找到合理的解释。这就是所谓“日冕之谜”。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空只有当日全食发生时,才能看到日冕区域
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空日食期间拍摄到的白光日冕形态,太阳风就沿着那些向远处延伸的条纹涌向太空之中

困扰科学家的另一个谜团是太阳风。所谓太阳风就是从太阳上层大气向整个太阳系不断射出的超声速等离子体带电粒子流,它的时速可以达到每小时数百万千米。当太阳风猛烈袭击地球时,会产生美丽的极光,但同时也会干扰卫星通信和导航系统。然而令人惊奇的是,在靠近太阳表面的地方,却并没有任何明显的强风存在,但当太阳风抵达太阳系行星时,却变成了真正的“狂风”,是地球风速的上万倍,科学家怀疑,在太阳和行星之间可能存在一些未知因素,从而让太阳风获得了如此高的加速度。那么在太阳和行星之间究竟是什么因素使得太阳风有那么高的速度呢?

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空一次大的日冕物质抛射

俗话说,不入虎穴,焉得虎子。探测太阳也是如此。为了解开有关太阳的各种谜团,就必须近距离探测太阳。目前,研究太阳的重要而先进的方法就是发射太阳观测卫星和太阳探测器,这样可以不受地球大气层、地球辐射带和地球自转等影响,近距离对太阳开展多波段、全时域、高分辨率和高精度的观测和探测,揭示太阳活动机理,了解太阳的基本物理规律,探索日球系统奥秘,研究太阳和太阳系是如何影响地球和人类社会生存与发展的。

研究太阳的航天器还可以细分为多种,例如,地球轨道太阳观测卫星、日心轨道太阳探测器、日地平衡L1点太阳探测器(美国已向L1点发射了4颗可在L1点长期观测太阳的卫星)、太阳极轨道探测器等。

2。欧日美竞相观测太阳

按照观测目标的不同,天文卫星可以分为以观测太阳为主的太阳观测卫星和以探测太阳系以外的天体为主的非太阳观测卫星两大类。至今,欧洲、日本和美国先后发射了不少太阳观测卫星。

1962年3月发射的美国轨道太阳观测台一号是世界第一颗太阳观测卫星。1962~1975年期间,美国共发射了8颗“轨道太阳观测台”,主要测量太阳X射线、γ射线、预报太阳耀斑,为载人航天任务提供空间天气基本数据。1963~1976年,美国发射了11颗“太阳辐射卫星”,在11年的太阳活动周期内监测太阳耀斑事件,预报太阳耀斑事件。1980年以来,美国先后又发射了“太阳峰年卫星”、“太阳-磁层探测者”、“太阳异常和磁层粒子探测者”、“过渡区和日冕探测者”、“高能太阳光谱成像仪”、“太阳辐射与气候实验卫星”等一系列太阳观测卫星。其他国家也发射了一些太阳观测卫星。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空世界第一颗太阳观测卫星——轨道太阳观测台一号

近些年,欧洲、日本和美国发射了以下几颗重要的太阳观测卫星,它们采集了有关太阳的大量有价值科学信息。

1995年12月2日升空的欧洲“太阳和日球层观测台”是20世纪发射的最著名的太阳观测卫星之一,主要任务是:探测太阳天体内部结构;考察太阳天体的最外层(即日冕部分),太阳从这一层得到热量;探索太阳风的起源和组成,揭示太阳风为什么会那么快的流动。发射后“太阳和日球层观测台”进入地球上方150万千米的“日晕”轨道上。“日晕”轨道位于地球和太阳引力场之间(两者的引力场互相抵消),这里没有黑夜,在那里它可在永远是白昼的条件下对太阳进行不间断的探测。它对太阳进行了广泛的研究,揭示了不少其内部深层和外部强烈的大气活动的秘密,提供了史无前例的对日观测信息,而且不只观测了太阳面向地球的一面,还能观测太阳的另一面。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“太阳和日球层观测台”

2006年9月23日,日本发射了由日本、美国和英国及欧洲其他国家联合研制的太阳-B卫星,运行在距地面600千米高的太阳同步轨道上,每年能对太阳进行8个多月的全天连续观测,无需日夜循环,是日本研发或参与研发的第3颗太阳观测卫星。它有四大使命:①研究太阳磁场。②研究太阳能量辐射。③研究磁重联等现象。④观测太阳大气膨胀等。该卫星主要记录太阳磁场是如何储存和释放大量能量,测量太阳磁场运动及其对太阳大气的影响;拍摄太阳图像,研究太阳耀斑,重点研究太阳耀斑的引爆阶段;帮助人类揭开日冕形成的原因等秘密,为了解和预测太阳扰动提供重要信息,帮助人们深入了解和预测太阳对地球造成的影响。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳-B卫星
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳耀斑爆发后对地球的影响

小知识:太阳耀斑是太阳大气的色球层局部区域突然出现亮斑闪耀,其寿命在几分钟到几小时之间,亮度上升迅速。由于耀斑总是发生在黑子群集中的强磁场区域,因此科学界普遍认为,耀斑的起因是太阳磁场突发的重新排布。当“扭缠”磁场中储存的能量突然释放就会发生太阳耀斑,最大的磁场会产生最大的太阳耀斑。

2006年10月25日,美国发射了世界第一对孪生太阳观测卫星——“日地关系观测台”。进入绕日轨道后,它们始终运行在地球的“两侧”,一个在地球围绕日轨道的前面,另一个则在轨道的后面, 二者就将如同人的双眼一样,利用在太空中相互错开的优越定位“注视”太阳。“日地关系观测台”首次为人类展示太阳黑子爆发时的全景三维图像,这些图像有助于天文学家对太阳风暴对航天员和通信卫星所造成的影响做出准确地预测,极大地增进对太阳爆发的了解。它们还首次对日地之间的“太空天气”进行了拍照与追踪,首次通过无线电三角定位法连续确定行星际激波的位置,以及首次对太阳活动进行拍照并在1天文单位的尺度内对高能粒子进行实地测量。其另一项重要使命是预报太阳风暴,立体观看太阳与太阳向周围空间喷发的大量气团及带电粒子,更好的了解太阳日冕物质喷发现象,搞清其穿越太阳大气传播的特性,提高对地球周围太阳风结构的认识。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空一对“日地关系观测台”

2010年2月9日,美国“太阳动力学观测台”卫星升空,其太阳图像分辨率比以往的太阳观测卫星提高了10倍。它运行在地球同步轨道,目的是能确保几乎不间断地观察太阳磁场、喷发的等离子体和众多其他现象,每天能收集到有关这些现象远比现有卫星收集的信息要多,从而能更准确和更及时地预测空间天气。该卫星用于了解太阳变化的特征和研究太阳对气候、通信系统、航天器工作的影响等问题,推进“与日共存”(LWS)国际空间合作计划。该卫星每0.75秒获得一幅图像(“太阳和日球层观测台”每12分钟提供一张图片,“日地关系观测台”每90秒提供一张图片);所有的成像的分辨率比高清电视的好10倍,可揭示太阳活动的每一细节;每天能向地面转送1.5太比特有关太阳信息的庞大数据流,所发回的数据将是以前任何一颗太阳观测卫星的50倍,每天向地面发送的数据相当于每天传送50万首歌曲。所以,“太阳动力学观测台”有助于研究太阳大气,观测太阳活动周期起因,使科学家们对太阳的多种状态和太阳对地球的影响有新的理解。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“太阳动力学观测台”
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“太阳动力学观测台”获得的太阳表面高清晰度图片

3。走近太阳迎接大挑战

与太阳观测卫星相比,由于太阳探测器要飞离地球,在距离太阳更近的地方探测太阳,因而能拍摄分辨率更高的太阳图像,采集更多、更有科研价值的太阳数据,从而能使科学家更深入地研究太阳。

不过,一切事物都是一分为二的。正因为太阳探测器要飞到距离太阳比较近的地方进行探测,所以其研制和运行难度都比太阳观测卫星大许多,尤其对其防热措施、轨道设计等要求更高,技术十分复杂,要迎接巨大挑战。

在已发射过的太阳探测器中,最著名的要算1990年升空的“尤利赛斯”极区太阳探测器。它由美国与欧洲联合研制,是人类首个有能力对太阳几乎所有纬度进行观测的探测器。它沿一个特殊的大椭圆极地轨道运行,先后在1994~1995年、2000~2001年和2007~2008年间三次飞越太阳南北极,为人类提供首次太阳极区观测的宝贵机会。“尤利赛斯”传回了大量科学的数据,这些信息极大地帮助科学家们加深了对太阳高纬度地区情况的认识。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“尤利赛斯”太阳极区探测器

然而,它与今年“帕克太阳探测器”相比,可称得上是“小巫见大巫”,毕竟28年过去了,航天技术有了很大发展。。

(1)距离太阳最近的探测器

2018年8月11日发射的美国“帕克太阳探测器”原来叫“太阳探测器+”(Solar Probe Plus),2017年5月31日改用以太阳风科学的先驱——芝加哥大学的帕克教授命名。这是因为美国科学家帕克在1958年就预言了太阳风的存在并提出了相关理论,这项预测几年后便得到了太阳探测器所获资料的证实。为了向帕克教授致敬,美国航空航天局第一次以健在人物命名航天器,可见帕克的伟大。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空  2017年,为向天体物理学家尤金·帕克致敬,美国航空航天局把“太阳探测器+”太阳探测任务更名为“帕克太阳探测器”。图为手持“帕克太阳探测器”模型的帕克老先生,背后是“帕克太阳探测器”的徽标
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空尤金·帕克参观约翰霍普金斯应用物理实验室,“帕克太阳探测器”就在这里进行的组装
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空91岁高龄的尤金·帕克教授来到了发射现场

“帕克太阳探测器”将比以往任何人造物体都更接近太阳表面,第一次穿过太阳外层大气层日冕,能在地球距离太阳最近距离的1/21,即距离太阳表面大约9个太阳半径(太阳半径约70万千米)的地方对太阳进行全方位探测,获取日冕、太阳风等方面的最翔实信息,所以具有革命性的意义。

它将以前所未有的距离靠近太阳,距离太阳表面约600万千米,这仅为地球到太阳距离的1/25,所以能更加清晰的看见太阳风速度从原来的亚音速达到超音速的过程,同时飞过高能太阳粒子的发源地。它88天绕太阳一圈,探测器将以时速约69万千米速度前进,最终飞行速度达到200千米/秒,将成为世界上“移动速度最快人造物体”。

目前,距离太阳最近的探测器纪录由20世纪70年代发射的德国太阳神2号探测器保持,距太阳约4343万千米。飞行速度纪录也是它保持的,在1976年4月17日,太阳神2号以70千米/秒的速度绕着太阳行驶。所以届时“帕克太阳探测器”与太阳的距离只有太阳神2号探测器所创纪录的1/7,也是水星距太阳的1/10(水星到太阳的平均距离也有将近5800万千米)。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳神2号

“帕克太阳探测器”的主要任务是追踪能量和热量如何通过太阳日冕,探索加速太阳风和太阳能粒子的作用。其探测数据能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,改善会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太阳观测卫星甚至在太空工作的航天员对太阳的观测。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”的任务logo,上面写着“A Mission to Touch the Sun(一项触摸太阳的任务)

该太阳探测器是美国“与日共存”(LWS)计划的一部分,旨在更好地探索太阳,以及它的变化对地球产生的可能后果。该计划第一个上天的航天器是“太阳动力学观测台”。“帕克太阳探测器”上还放置了一枚芯片,上面有参与公众的名字,在今年夏天将随着探测器一同送至离太阳最近的地方。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空  今年5月18日,一块纪念尤金·帕克的铭牌安装到了“帕克太阳探测器”上。铭牌上写了这么一段话:“帕克太阳探测器的任务要献给专注于研究太阳和太阳风的尤金·帕克(Eugene Parker)博士,他的贡献彻底改变了我们对太阳和太阳风的理解。'让我们看看未来会发生什么'Gene Parker,2017年7月。”
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空这枚存储卡随一张铭牌被贴在了探测器上
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空存储卡和铭牌一起被贴在了探测器高增益天线的下方

(2)五大任务和三大问题

“帕克太阳探测器”将探索太阳附近尘埃等离子体,以及其对太阳风和高能粒子形成的影响;跟踪监测日冕加热和太阳风加速的能量流;确定快慢太阳风源区的磁场结构和动力学特征以及太阳高能粒子的加速和输运机制。

美国航空航天局为“帕克太阳探测器”选定了五项研究任务:①研究太阳风电子、α粒子和质子。它将探测太阳风中数量最大的粒子(电子、质子和氦离子),并检验它们的性质;捕获某些粒子,在特殊的实验杯里进行直接分析。②开展场域实验。它将研究将直接测量电磁场、电波辐射和通过太阳大气等离子层过程中的震动波;也将作为一个巨大的尘埃探测器,在空间灰尘冲击航天器天线时,记录下电压特征。③拍摄广域图像。它将在完成任务的过程中,拍摄接近和经探测器的太阳风和震动的三维图像以及太阳大气层或日冕的三维图像。④探究太阳风层起源及其他任务。⑤进行太阳综合科学调查。该研究由两套设备组成,一套是用物质光谱仪查清太阳大气的组成元素,另一套是测量探测器附近的粒子质量并分类。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”刚升空时的示意图

科学家试图通过“帕克太阳探测器”回答以下三大问题:

一是通过追踪促使日冕和太阳风升温和加速的能量流,想弄清楚为什么太阳表面(光球层)的温度比太阳的大气层(日冕)的温度低很多。

二是通过确定作为太阳风能量来源的等离子体和磁场的结构和动态,想弄清楚影响地球和太阳系的太阳风(太阳向外发出的物质流)是如何形成的,怎样获得速度。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空太阳爆发性活动对地球空间的作用示意图

三是通过探索高能粒子的加速和运输机制,想弄清楚为什么太阳有时候会释放出高能粒子,这些所谓的太阳高能粒子对于无保护的航天员和航天器来说是一个威胁。

由于能近距离探测太阳,大小与小型轿车相仿的“帕克太阳探测器”能使科学家能更好地认识、表征和预报辐射环境,对从未有其它探测器涉足的一个区域进行探测,以便在未来的太空探索中更好地理解、描绘并预测辐射环境。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”穿越太阳大气层示意图

(3)形形色色的探测设备

“帕克太阳探测器”质量约612千克,主结构为六角形平台结构。其通信系统采用X/Ka频段,当探测器远离太阳时(超过0.25AU,AU是太阳到地球的平均距离,即一个天文单位,约1.5亿千米),数据下行采用高增益天线;当探测器与太阳相遇期间,采用低增益天线提供低速指令上行和“健康和状态”下行。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空探测器的高增益天线

它将采用原位测量和成像的方式来探测日冕和太阳风等,为此携带了四种科学仪器,其中三种是原位探测仪器,还有一种遥感仪器。它们用于探测遇到的等离子体、磁场和波、高能粒子和尘埃,对日冕测量与取样,了解日冕如何活动,以可帮助科学家预测危险的太阳风暴。

重点探测太阳风的有两种,分别用于测量太阳风,包括测量各种粒子的痕迹,以及质子,电子,少量离子化的氦,以及较重的元素;捕获最高能量的粒子。

其中的太阳综合科学研究仪器(Integrated Science Investigation of the Sun,ISIS)是利用2台质谱仪对探测器附近周围各种能量的粒子,研究它们来自何处,如何加速以及如何穿过星际空间,从而建立太阳大气层粒子元素清单,揭开太阳风被加速的谜团。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”结构

另一种是太阳风电子/α粒子/质子科学仪器(SWEAPI)。它用于对太阳风中最丰富的粒子(电子、质子和氦离子)进行计数并测量它们的特性,并将粒子捕获到法拉利杯(能够承受极端电磁辐射的干扰,测量太阳释放的带电粒子进行速度和方向,放置在探测器的防热罩外侧)中进行原位分析。

第三种是粒子及太阳电磁场监测设备(FIELDS)。它用于直接测量穿过太阳大气层的等离子产生的冲击波,对太阳大气中的电场和磁场进行探测,帮助科学家们了解其如何与组成太阳的等离子体物质,以及太阳风之间发生相互作用,也可作为尘埃探测仪,记录空间尘埃粒子撞击天线时的电压信号。

这三种原位探测仪器用于探测“帕克太阳探测器”周边环境的一些仪器。它们将研究太阳的磁场、等离子体和高能粒子,揭示太阳外层大气的真实结构,帮助人类理解为什么日冕的温度比太阳表面高很多,使科学家掌握要破解日冕加热和太阳风加速的物理成因需要具备什么知识,知道些什么。

第四种是宽视场成像仪(WFI)。它用于拍摄沿途飞过区域的图像,对日冕和内日球层进行三维成像,这将帮助科学家们对其他设备获得的数据进行图像校准,并对一些现象,比如耀斑爆发等进行监测,在太阳风接近和通过探测器时提供云和冲击的三维图像,等等。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空查看“帕克太阳探测器”的“五脏六腑”

其上的太阳综合科学研究仪器是利用2台质谱仪对探测器附近的离子进行称重和分类,从而建立太阳大气层粒子元素清单;粒子及场试验仪用于测量太阳电场、磁场、射电辐射和太阳大气中离子体造成的冲击波,该装置也可作为尘埃探测仪,记录空间尘埃粒子撞击天线时的电压信号;太阳风电子/α粒子/质子科学仪器用于对太阳风中最丰富的粒子(电子、质子和氦离子)进行计数并测量它们的特性,并将粒子捕获到法拉利杯(能够承受极端电磁辐射的干扰,测量太阳释放的带电粒子进行速度和方向,放置在探测器的防热罩外侧)中进行原位分析;宽视场成像仪用于对日冕或太阳大气进行三维成像;在太阳风接近和通过航天器时提供云和冲击的三维图像,等等。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空查看“帕克太阳探测器”的“五脏六腑”

这是该太阳探测器上唯一的遥感仪器,即白光半球成像仪,在“帕克太阳探测器”高速穿过太阳波时进行三维成像,从2.2~20个太阳半径处,提供了日冕中密度和尘埃的全球范围内和准现场测量。这是一台能拍摄日冕三维图像的望远镜,类似于医用CT扫描设备,不过它所用的日冕断层摄影技术是一项全新的太阳成像技术,这是因为拍摄地是靠近太阳的移动平台,在冕云与冕流中边飞行边拍照,可以捕捉等离子体在离开日冕时的特写图像。

它们有望解决关于太阳的多个谜题,但最主要的还是日冕之谜和太阳风之谜。为此,“帕克太阳探测器”将穿入日冕内部来探个究竟。

“帕克太阳探测器”能在太阳周期的多个不同阶段对日冕和太阳风进行采样,并保证能在探测即将结束时经历多次太阳暴。据推测,在太阳风暴所产生的最危险粒子中有许多是从日冕内获得能量,而这里正是“帕克太阳探测器”所处的地方,因此有可能观测到太阳高能粒子事件的发生过程,并使研究人员掌握如何预报威胁航天员健康和安全的太阳高能粒子事件的技术。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空在安装太阳能电池阵列之后,使用激光照射太阳能电池并验证它们能产生电能

该探测器能近距离观测到耀斑、日冕物质抛射,以及激波,有助于研究和证实高能粒子加速机制,对太阳爆发活动的研究也具有重要的意义;可追踪加热和加速太阳日冕和太阳风的能量流动,研究太阳风源的等离子体和磁场的结构和动力学特征,探索高能粒子的加速和运动机制。虽然当前科学家认为耀斑和激波是高能粒子加速的主要机制,但在1AU处的观测却无法证实这一点。

(4)防热技术是探日关键

这是一次“酷热之旅”。发射升空后,“帕克太阳探测器”将工作在太阳大气深处,将承受前所未有的高温以及太阳辐射的考验。当该探测器最近距离接近太阳时,它面临的太阳强度是地球轨道上航天器所经受强度的500倍。因此,“帕克太阳探测器”的关键技术是在飞近太阳的过程中,打造出抵御来自太阳的超过1400°C的高温和强辐射流的防热罩。

小知识:温度和热量不是一回事。温度用于衡量粒子的移动速度,热量用于衡量转移的能量总量。粒子快速移动时温度高,但太空几乎处于真空状态,粒子数量很少,无法转移大量能量,所以探测器获得的热量并不太高。与太阳表面相比,日冕的密度很低,探测器接触的炙热粒子较少,所以不会获得大量热量。也就是说,虽然探测器会穿过一个数百万度的区域,但面朝太阳的防热罩表面只会被加热到1400°C左右。不过铁的熔点1535°C,普通铸铁熔点1200°C左右。

为此,美国为“帕克太阳探测器”研制了一个直径2.4米、12厘米厚、重73千克的碳复合材料防热罩(TPS)。它像一块三明治,两块碳纤维合成板夹着11.5厘米厚的轻型碳泡沫芯组成,可承受1650°C高温,几乎可保障所有仪器的安全。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空像三明治的防热罩

具有遮阳伞功能的防热罩装在“帕克太阳探测器”顶部。其对太阳的一面被喷上特制的白色涂层,以尽可能地反射太阳的能量,为探测器的其余部分创造更温和的阴影。由于采用三轴稳定方式,所以能保持探测器的太阳防热罩始终朝向太阳,可使探测器整体一直处于防热罩的阴影中,免受太阳巨大高温的辐照加热,探测器整体温度将保持在约29°C。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空为“帕克太阳探测器”安装防热罩

不过,为了工作的需要,个别设备还是放在防热罩外了。比如,用于测量太阳风的离子和电子通量以及流动角度的“法拉第杯”,这台传感器采用了独特技术,由钛-锆-钼制成,熔点约为2349°C,可保障电子设备可发回准确的读数。为其产生电场的芯片由钨(已知最高熔点为3422°C)制成;芯片中的网格线用激光蚀刻而成。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空白色的热防护罩装在“帕克太阳探测器”前面

在探测器内还加装了由太阳能电池驱动冷却泵等装置。它是一个包含着5公升加压水的辐射器,可像空调一样给仪器降温,使探测器上的仪器设施能够稳定在大约室温的温度范围,以研究磁场,等离子体和高能粒子,并在室温下对太阳风进行成像。

其两个太阳电池翼可以收缩扩展,并装有冷却系统。在每次接近太阳的过程中,当阳光过强时,太阳能电池翼都收缩到防热罩之内,仅有一小部分暴露在强烈阳光下,这部分依靠冷却系统来获得持久的电力供应。冷却系统由热管、散热器和去离子水(冷却液)等组成,热管可把被加热的去离子水导入散热器,起到冷却太阳电池翼的作用。由于去离子水被加压,所以其沸点超过125°C。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克探测器”的太阳能电池翼
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太空探测器”飞近太阳时,其太阳电池翼将收入防热罩的阴影内

“帕克太阳探测器”还具有自我保护功能。它装有多个半个手机大小的传感器,分布在防热罩阴影的边缘。如果任何一个传感器感知到阳光,便会提醒中央电脑,“帕克太阳探测器”随即调整方位,确保传感器及其它仪器的安全。

(5)借力金星逐渐靠近太阳

为“帕克太阳探测器”设计的飞行轨道对其防热也有重要作用,它是借助金星引力逐渐靠近太阳的。

发射后,“帕克太阳探测器”不是直飞太阳而是驶向金星,以便通过金星的引力作用改变探测器的速度和轨道。在约7年的飞行时间里,它将7次飞掠金星,目的是通过引力跳板的作用逐渐探测缩短围绕太阳旋转的轨道半径和速度。

也就是说,该探测器每次通过金星时,都利用金星的引力来改变探测器轨道形状,让飞行路线弯曲,从而使“帕克太阳探测器”轨道逐渐深入到太阳的大气层内,最终在距离太阳表面约600万千米(处于日冕的范围之内)的位置飞行。每次靠近太阳时,“帕克太阳探测器”都会采集太阳风样本,研究日冕,同时对太阳及周边区域进行前所未有的近距离观测。具体时间如下:

1)2018年9月28日,第一次飞掠金星;

2)2019年12月22日,第二次飞掠金星;

3)2020年7月6日,第三次飞掠金星;

4)2021年2月16日,第四次飞掠金星;

5)2021年10月11日,第五次飞掠金星;

6)2023年8月16日,第六次飞掠金星;

7)2024年11月2日,第七次飞掠金星。

每次飞越金星时,“帕克太阳探测器”还会利用金星的引力“刹车”,使它飞的别太快了,以防探测器受到太阳巨大引力的影响,一头栽进太阳大气出不来而被损毁。这与在大多数深空探测任务中,一般是利用行星引力作跳板来获取额外的能量(或速度)正好相反。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”将7次掠过金星
科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“帕克太阳探测器”的运行轨道

飞掠金星的另一好处是:虽然金星并非此次探测的主要目标,但天文学家有可能在仪器配备充足的该探测器飞越金星的过程中了解到金星的更多情况。

它将绕太阳运行24圈,即有24次飞至近日点,也就是24次穿过日冕,而且越来越近飞至太阳,对太阳进行近距离深入探测,观测日冕如何升温,与太阳风从何处开始加速,也同时了解太阳与行星、地球的关系。具体时间如下:

1)2018年11月1日,第一次抵达近日点,执行第一次探日任务,届时与太阳光球层的距离约有2480万千米,最快12月可收到第一批“太阳信息”;

2)2019 年3月31日,第二次飞至近日点;

3)2019年8月28日,第三次飞至近日点;

4)2020年1月24日,第四次飞至近日点;

5)2020年6月2日,第五次飞至近日点;

6)2020年9月22日,第六次飞至近日点;

7)2021年1月13日,第七次飞至近日点;

8)2021年4月24日,第八次飞至近日点;

9)2021年8月5日,第九次飞至近日点;

10)2021年11月16日,第十次飞至近日点;

11)2022年2月21日,第十一次飞至近日点;

12)2022年5月28日,第十二次飞至近日点;

13)2022年9月1日,第十三次飞至近日点;

14)2022年12月6日,第十四次飞至近日点;

15)2023年3月13日,第十五次飞至近日点;

16)2023年,6月17日,第十六次飞至近日点;

17)2023年9月23日,第十七次飞至近日点;

18)2023年12月24日,第十八次飞至近日点;

19)2024年3月25日,第十九次次飞至近日点;

20)2024年6月25日,第二十次飞至近日点;

21)2024年9月25日,第二十一次飞至近日点;

22)2024年12月19日,第二十二次飞抵近日点;

23)2025年3月18日,第二十三次飞至近日点;

24)2025年6月14日,第二十四次飞至近日点,执行最后一次探日任务,届时与太阳光球层的距离大约只有600万千米,将完成人类首次“触摸太阳”的梦想。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空轨道设计师设计了24个花瓣形轨,道使“帕克太阳探测器”逐渐靠近太阳

“帕克太阳探测器”就是这样逐渐接近太阳的,最终2025年6月以超过每小时72万千米的高速冲入太阳焚毁。

4.还有一些其他的计划

美国的“帕克太阳探测器”和“太阳哨兵”(Solar Senitnels)和欧洲航天局的“太阳轨道器”(Solar obiter),无论从规模、科技含量、技术难度,还是从预期产生的效果来看, 可以堪称太阳探测的“ 三大工程”。

(1)欧洲“太阳轨道器 ”明年升空

2019年发射“太阳轨道器”以欧洲航天局为主研制,也是“人类与日共存”国际空间合作计划最后一个太阳探测器, 与美国的“太阳哨兵”计划一起,旨在研究太阳表面和大气,对发生在太阳系核心的高能过程进行近距离观测。

它携带原位探测仪器有:太阳风等离子体分析器、射电和等离子体波分析器、磁强计、能量粒子探测器、尘埃粒子探测器、中子与γ射线探测器。遥感仪器有可见光成像仪和磁照图仪、极紫外、极紫外成像仪、可见光日冕仪、X射线分光成像望远镜。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“太阳轨道器”示意图

该轨道器将在距太阳约4200万千米的范围内活动,处于一个高度倾斜的轨道上。在此轨道上,“太阳轨道器”将成为首个能直接为太阳两极拍照的探测器。目前,人类对太阳极地的了解也很少。它还将利用其独特的轨道,更好地了解太阳的磁场

美国的“帕克太阳探测器”将在太阳风刚形成并离开日冕时捕捉太阳风,将原始观测结果传回地球;而欧洲的“太阳轨道器”所处的位置让其可以很好地观察太阳的两极,其提供的信息有助科学家洞悉太阳风的结构和行为在不同纬度的变化情况。这两款探测器协同作战,优势互补,有助科学家进一步揭开太阳风的“庐山真面目”。

(2)美国 “太阳哨兵”前途未卜

有关媒体曾报道,美国还在研制 “太阳哨兵”。其任务是提供关于威胁航天员及航天器电子设备的大剂量太阳辐射的重要数据。它是一组航天器,其中“内日球层哨兵”,是在金星与水星轨道内发射4个相同的探测器,就近搜取高能太阳粒子样本;“近地哨兵”( Near-Earth Sentinel, NlE, 太阳同步轨道卫星)是一个绕地轨道航天器,从大型风暴产生处观测太阳大气层;“远端哨兵”( Farside Sentinel,FSS, 在IAU的日心轨道)是一个观测太阳距地远一面的航天器。

其中“内日球层哨兵”的每个探测器都配备了相同的科学仪器,靠近太阳运行,主要科学目的是: 什么是太阳风与日球磁场的源? 快速和慢速太阳风怎样和在哪起源的? 日球磁场的源是什么? 太阳风所有尺度的扰动和结构的源是什么?太阳能量粒子的源、加速机制和输运过程是什么? 太阳能量粒子的空间与时间分布特征是什么? 日冕物质抛射在内日球是怎样演变的? 行星际日冕物质抛射的结构与源有什么关系?

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“太阳哨兵”星座设想

每个“太阳哨兵”携带的相同, 这些仪器是: 太阳风质子和α粒子探测器、太阳风电子探测器、太阳风成分、电荷状态与太阳风离子速度探测器、超热低能离子成分、超热电子探测器、能量电子和质子探测器、高能离子成分、能量粒子的带电状态、从直流到16兆赫的电场及射电发射、双直流磁强计、探索线圈磁强计、中子谱仪、X射线、γ射线谱仪。

不过,近年来,有关美国“太阳哨兵”的研制进度报道很少,不知是否已经下马。

(3)印度和俄罗斯的计划

印度将于2019年首次发射太阳探测卫星,以探索太阳对地球的影响。这颗太阳探测卫星名为阿迪亚L1,探测的主要目的是解决太阳物理学的一些长期问题。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空阿迪亚L1

鉴于2009年年初发射的对日观测卫星“日冕-光子”已经退役,俄罗斯计划在2019年用联盟-2运载火箭发射名为“内太阳探测”新一代太阳观测卫星。它将配备紫外线及高能γ射线高灵敏度测量仪,还将安装特制发动机,以便根据需要调整太阳观测卫星轨道高度。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“日冕-光子”太阳观测卫星

“内太阳探测”将由轨道舱、各种功能保障服务系统和设备、外部隔热防护板和动力系统组成,在飞近太阳时能够对轨迹进行相应的调整,在接近太阳半径30~40倍距离处研究太阳和近太阳环境,主要是太阳黑子现象及其相关效应、日冕、太阳风、太阳磁极和磁场等。其技术难题是必须采用独特的防护手段和隔热防护板,以保证“内太阳探测”不会直接受到太阳庞大热能的伤害,同时还能对太阳表面进行拍摄和研究。因此隔热防护板上还将会有一些“漏洞”,太阳光束仍能穿透到卫星内部,如果不高度重视这个问题,一切设备都有可能会被太阳烧毁。另外,除了隔热防护板外,还需要有专门的滤光器和分隔板,用于减少太阳光能。它们由钨、钼等耐热材料制成,能承受1000℃的高温。

延伸阅读:中国太阳观测和探测前景

我国科学家建议,通过实施“太阳显微”计划、“锁链”计划、“微星”计划、“探天”计划、“载人航天工程”科学计划,来回答太阳活动的微观现象和活动规律的子问题;通过实施“太阳全景”计划、“锁链”计划、“微星”计划、“探天”计划、“载人航天工程”科学计划,来回答太阳活动的宏观现象和活动规律的子问题。

我国将在“十三五”期间发射“先进天基太阳天文台”。它运行于太阳同步轨道,寿命不少于4年。该卫星能同时观测对地球空间环境具有重要影响的太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射;研究耀斑和日冕物质抛射的相互关系和形成规律;观测全日面太阳矢量磁场,研究太阳耀斑爆发和日冕物质抛射与太阳磁场之间的因果关系;观测太阳大气不同层次对太阳爆发的响应,研究太阳爆发能量的传输机制及动力学特征;探测太阳爆发,预报空间天气,为我国空间环境的安全提供保障。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“先进天基太阳天文台”示意图

磁层-电离层-热层是等离子体与中性气体共存、彼此紧密耦合的复杂系统,是太阳剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域,对于人类航天活动的安全及导航/通信系统的正常运行有着重要影响,所以对该区域的探测研究蕴涵重大的科学意义并具有重要的应用前景。空间物理的探测已到了多点、多时空尺度的时代,也就是对地球空间的复杂的物理过程进行多颗小卫星的协同观测, 它已成为研究地球外层空间各层之间耦合的重要的探测方法。我国于“十三五”实施的“磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划”是国际上首次将磁层-电离层-热层作为一个整体进行联合观测的小卫星星座(4颗卫星)探测计划,它可探测研究磁层、电离层和热层之间的耦合关系,揭示太阳活动影响地球空间环境的机制和规律,促进对日地耦合系统的深入认识,有望于2020年前后完成发射和在轨部署。

科学大家|能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空“磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划”示意图
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