北京時(shí)間 8 月 12 日下午 3 點(diǎn) 31 分，具有歷史意義的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）在卡納維拉爾角空軍基地 SLC-37B 發(fā)射位由德爾塔4 重型火箭發(fā)射升空。在經(jīng)過了 43 分鐘的飛行之后，雖然期間經(jīng)歷了第三級(jí)疑似失聯(lián)的驚險(xiǎn)時(shí)刻，還好是最終有驚無險(xiǎn)，帕克探測器成功與火箭分離，獨(dú)自踏上了奔赴太陽的漫漫長路，也就此揭開了人類探索太陽的新征程！
圖丨現(xiàn)場發(fā)射
圖丨疑似出現(xiàn)問題時(shí)，現(xiàn)場工作人員面情凝重
其實(shí)，帕克探測器的此次發(fā)射可謂是過程坎坷，最早預(yù)定在 7 月 31 日進(jìn)行發(fā)射，之后又經(jīng)歷了 4 次推遲，選定在 8 月 11 的下午 3 點(diǎn) 33 分?？蔁o奈禍不單行，在分別經(jīng)過了因技術(shù)問題而推遲 20 分鐘后和兩輪倒計(jì)時(shí)暫停之后，火箭還是觸發(fā)了氦氣紅色壓力警報(bào)，火箭燃料管溫度降低，最終推至今日下午 3 點(diǎn) 31 分發(fā)射。
圖丨帕克老爺子也在深夜到現(xiàn)場“支持”
圖丨烈焰炎炎的宣傳海報(bào)（為了保障本次遠(yuǎn)距離的飛行任務(wù)，德爾塔 4 火箭首次加裝了 Star 48BV 上面級(jí)，搖身一變成為了“三級(jí)箭”）
Parker 是為了紀(jì)念研究太陽和太陽風(fēng)的尤金·帕克 (Eugene Parker) 博士，他在 1958 年發(fā)表了一篇名為《行星際氣體和磁場的動(dòng)力學(xué)》的論文，第一次提出了太陽風(fēng)的概念。而與此次 Parker 一起升空的還有 1137202 個(gè)名字！這些名字被存入在了一張 TF 卡上，隨一張銘牌被貼在探測器高增益天線的下方。
圖丨帕克到現(xiàn)場與火箭合影
我們首先來看看 Parker 將會(huì)實(shí)現(xiàn)的幾大壯舉：
距離最近：Parker 將會(huì)成為距離太陽最近的人造天體，設(shè)定的最近距離約為 610 萬公里，不僅首次進(jìn)入太陽的日冕層，而且還打破了太陽神 2 號(hào)探測器在 1976 年 4 月 17 日創(chuàng)下的 4343.2 萬公里的此前最近距離記錄。
溫度最高：由于距離太陽近，且又運(yùn)行在日冕層，所以 Parker 將會(huì)承受奇高無比的溫度，探測器面向太陽的一面需要承受高達(dá) 1377 攝氏度的高溫，但又必須要保證工作儀器始終處在幾十度的室溫條件下，可想難度之高。
速度最快：為了能夠掙脫地球引力的束縛，成為太陽系內(nèi)的星體，Parker 也將創(chuàng)造人造物體有史以來最快速度的記錄。據(jù)估計(jì)，其將以 70 萬公里的時(shí)速繞太陽運(yùn)行，遠(yuǎn)超當(dāng)年太陽神 2 號(hào)的 25 萬公里/時(shí)，打一個(gè)比方，這就相當(dāng)于 2022 年冬奧會(huì)的兩個(gè)舉辦地——北京和張家口之間一秒就走完全程。
當(dāng)然，為了要實(shí)現(xiàn)以上的幾大目標(biāo)，Parker 必須要經(jīng)過長時(shí)間復(fù)雜的變軌操作，最后才可以抵達(dá)太陽。根據(jù) NASA 的介紹，Parker 要在 7 年的時(shí)間里 7 次飛掠金星，以借助其引力來實(shí)現(xiàn)軌道調(diào)整，從而使探測器更接近太陽，而這期間，它將環(huán)繞太陽一共飛行 24 圈。
圖丨帕克探測器逐漸接近太陽示意圖（圖片來源：NASA）
在進(jìn)入太陽的日冕層之后，Parker 攜帶的四個(gè)儀器套件，將會(huì)分別用在研究磁場、等離子體、高能粒子和太陽風(fēng)。毫無疑問，能夠?qū)崿F(xiàn)如此近距離的觀測，大量新的發(fā)現(xiàn)必將徹底改變我們對(duì)日冕的理解，并擴(kuò)展我們對(duì)太陽風(fēng)起源和演化的認(rèn)識(shí)。
其實(shí)，Parker 也僅僅是作為 NASA“與星共存”(Living With a Star) 項(xiàng)目的一部分，整個(gè)計(jì)劃目的就是要探索地日系統(tǒng)的方方面面以及其對(duì)生命和人類社會(huì)的影響。
但正如我們上文所提到的，當(dāng)年的太陽神 2 號(hào)探測器已經(jīng)可以到達(dá)距離太陽比較近的地方了，那為什么經(jīng)過了幾十年之后 Parker 才將這一記錄向前有所推進(jìn)呢？歸根結(jié)底，就在于前沿材料技術(shù)的進(jìn)步使得探測器可以在不明顯增重的前提下能夠耐受上千度的超高溫。
打造飛向太陽的“不死之身”
為創(chuàng)造到達(dá)距太陽最近位置的世界紀(jì)錄，人們必須找到能抵抗前所未有超高溫度的材料?？梢哉f，如果沒有熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS），就沒有 Parker 。
按計(jì)劃，Parker 將進(jìn)入距太陽表面 400 萬英里范圍內(nèi)（611 萬公里）。為了適應(yīng)這種極熱的環(huán)境，探測器將攜帶一復(fù)合熱保護(hù)罩，罩子將抵抗來自太陽的強(qiáng)光。這一隔熱罩在 10 年前還不可能造出。
假設(shè)你是一個(gè)在地球軌道上的 1 平方米大的衛(wèi)星，太陽到達(dá)你身上的能量大約是 1350 瓦，但是 Parker 要到達(dá)的位置是比這個(gè)位置近約 25 倍的地方，也就是每平米隔熱罩大約要承受 85 萬瓦能量。如果算上面積，Parker 太陽探測器需承受約 300 萬瓦的能量。
探測器的隔熱罩也被稱為熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS），由兩個(gè)碳增強(qiáng)材料復(fù)合層和中間夾約 4.5 英寸（11.43cm）的碳泡沫構(gòu)成。隔熱罩朝向太陽的一面還涂了一層特殊的白色涂層，以盡量反射來自太陽的能量。這種材料可以抵抗 2500 華氏度高溫（約 1371℃），保證儀器在約 85 華氏度（約 30℃）環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。
“如果這項(xiàng)任務(wù)是在上世紀(jì) 60 年代到 70 年代，甚至 80 年代的時(shí)候部署，那么可能飛上天的是耐高溫金屬，”Driesman 說，“科學(xué)家將建造一個(gè)具有超高熔點(diǎn)的金屬熱盾，但永遠(yuǎn)不可能把它送上天，因?yàn)榻饘賹?shí)在是太沉了?！?br>
與大多數(shù)商業(yè)碳纖維不同，它們的碳-碳結(jié)構(gòu)沒有通過硬化樹脂聚合在一起，因?yàn)橛不瘶渲瑫?huì)像熱路面上的石油一樣在太陽附近蒸發(fā)。為了制造隔熱罩，NASA用“切碎的碳纖維”填充樹脂，然后讓樹脂硬化，再用 3000 度的烤爐烤它，然后重復(fù)這一過程 4 到 5 次。
“最終你將獲得纏繞在一起的碳纖維。我們所說的碳-碳結(jié)構(gòu)只是純碳，不含樹脂和別的物質(zhì)。”
熱保護(hù)罩的正面和反面由這種碳-碳板構(gòu)成，除了隔熱，這種輕質(zhì)材料還具有超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。2 層碳-碳板薄到能夠彎折，甚至它們能彼此重疊。在兩層碳-碳材料中間有一層約 4.5 英寸的碳泡沫，這種材料目前一般于醫(yī)療行業(yè)制造替代骨骼。這一三明治設(shè)計(jì)撐起了整個(gè)結(jié)構(gòu)——就像瓦楞紙板——這也讓整個(gè) 8 英尺厚的隔熱罩僅重 160 磅（約 73kg）。
泡沫也是熱保護(hù)罩隔熱功能最重要的結(jié)構(gòu)。但碳泡沫中 97% 是空氣，為了進(jìn)一步降低空間探測器的重量。碳本身是導(dǎo)熱的，泡沫結(jié)構(gòu)也意味著沒有那么多的熱可以傳導(dǎo)。
泡沫不容易進(jìn)行測試，它們極其易碎。但此外還有另一個(gè)問題。
“當(dāng)它們變熱后，它們會(huì)燃燒。”Abel 說。
燃燒在真空中并不是什么大問題，但在測試中間隙剩余的空氣將導(dǎo)致這些泡沫燒焦變成木炭。所以，國家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的工程師用高溫等離子弧燈測試隔熱罩中這些碳泡沫的耐高溫能力。
僅憑這些碳泡沫的隔熱性能并不足夠保證探測器能在要求的溫度下工作。因?yàn)樵诳臻g中并沒有空氣散熱，唯一的散熱方式是散射光并以光子的形式發(fā)出熱量。因此，另一個(gè)保護(hù)層是需要的：一個(gè)白色的保護(hù)層用來反射熱量和光。
圖 | Parker 太陽探測器熱防護(hù)罩結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：GREG STANLEY / OFFICE OF COMMUNICATIONS）
為此，約翰霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室與懷廷工程學(xué)院的先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Advanced Technology Laboratory in Johns Hopkins University's Whiting School of Engineering）合作，組成了一個(gè)隔熱涂層超豪華陣容的專家團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)研究范圍覆蓋高溫陶瓷，化學(xué)和等離子噴涂涂層。
通過進(jìn)一步的測試，團(tuán)隊(duì)最終選擇基于氧化鋁的白色保護(hù)層。但這個(gè)保護(hù)層會(huì)與碳反應(yīng)而在高溫環(huán)境中變灰，因此工程師們?cè)谥虚g加了一層鎢，鎢層比頭發(fā)絲還要薄，涂在熱保護(hù)罩和白色防護(hù)層中間以防止兩層間相互反應(yīng)。他們還加了納米摻雜劑讓防護(hù)層更白并阻止氧化鋁顆粒的熱膨脹。
系統(tǒng)科學(xué)與工程中心的首席研究工程師 Dennis Nagle 說，通常在使用陶瓷時(shí)，首選硬質(zhì)無孔涂層，但用錘子擊打時(shí)材料會(huì)破裂。在 Parker 面臨的溫度下，光滑的涂層會(huì)像用石頭撞擊的窗戶一樣破碎。因此，均勻的多孔涂層反而可以承受這一極端環(huán)境。當(dāng)多孔涂層中出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫會(huì)在到達(dá)孔隙時(shí)停止。涂層由幾個(gè)粗糙的顆粒層組成——足以使一組陶瓷顆粒反射另一層錯(cuò)過的光。
最熟悉也最陌生的太陽
而科學(xué)家們耗盡心思制造出 Parker ，正是希望能夠讓人類離太陽更近一步——一則是憑借機(jī)器靠近它，二則是對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。
太陽是我們太陽系中唯一的恒星，通過對(duì)太陽的探索，我們就可以進(jìn)而了解宇宙中其它恒星的秘密。
太陽為地球上的生命提供了必需的光和能量，我們對(duì)太陽了解的越多，就越能明白地球上生命的起源。
太陽也對(duì)人類產(chǎn)生著消極的影響，來自太陽表面的太陽風(fēng)以超過 500 公里/秒的速度源源不斷地向地球襲來，干擾著我們的磁場，破壞地球電離層的結(jié)構(gòu)，造成我們的無線電通信中斷，甚至影響地球大氣，引起火山爆發(fā)和地震。
圖丨太陽風(fēng)概念示意圖
根據(jù)記錄，每當(dāng)太陽風(fēng)強(qiáng)烈時(shí)，衛(wèi)星的機(jī)載設(shè)備總會(huì)受到干擾，進(jìn)而影響的工作壽命，而人類也會(huì)因?yàn)檩椛涞脑鰪?qiáng)而出現(xiàn)免疫力下降甚至病變等現(xiàn)象。所以，正如遠(yuǎn)航的水手敬畏大海一樣，為了實(shí)現(xiàn)人類未來走出地球，邁向火星和深空的愿景，就必須了解太空中的空間環(huán)境，尤其是太陽風(fēng)的作用。
而太陽目前也有不少神秘之處，例如太陽溫度的分布之謎：為什么日冕比太陽表面更熱？
在太陽風(fēng)不能繼續(xù)推動(dòng)星際媒質(zhì)的地方稱之為日球?qū)禹?/span>（heliopause），這也通常被認(rèn)為是太陽系的外邊界。這個(gè)邊界距離太陽到底多遠(yuǎn)還沒有精確的結(jié)果，可能根據(jù)太陽風(fēng)的強(qiáng)弱和當(dāng)?shù)匦请H媒質(zhì)的密度而變化。一般認(rèn)為它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了冥王星的軌道。
圖 | 太陽結(jié)構(gòu)（圖源：Wikipedia）
太陽大氣層主要分為 5 個(gè)部分：溫度極小區(qū)、色球、過渡區(qū)、日冕和太陽圈。其中位于最外層的太陽圈是太陽大氣層最稀薄的，可延伸至冥王星軌道之外與星際物質(zhì)交界。也就是說，其實(shí)我們生活在太陽的大氣層中。
其中，溫度極小區(qū)大約 4000 攝氏度，色球?qū)哟蠹s 20000 攝氏度，過渡區(qū)約 1000000 攝氏度，日冕層和太陽風(fēng)約 1000000-2000000 攝氏度，太陽圈從大約 20 個(gè)太陽半徑到太陽系邊緣其溫度逐漸下降。
色球、過渡區(qū)和日冕都比太陽表面溫度高，一些證據(jù)指向阿爾文波可能攜帶了足夠的能量將日冕加熱。阿爾文波是等離子體中的一種沿磁場方向傳播的波。但這一現(xiàn)象的原因還未獲得證實(shí)。
還有兩個(gè)我們?nèi)祟愊⑾⑾嚓P(guān)的問題是，空間天氣如何形成？又如何影響地球？
空間天氣涉及包括太陽風(fēng)在內(nèi)一系列太陽系空間條件變化，其研究重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)地球周圍的空間，包括磁層、電離層、熱層和外層條件?？臻g天氣一直影響著地球，這些影響以高緯度極光為代表，但其背后成因一直未被了解。
圖 | 太陽風(fēng)吹向地球（圖源：Wikipedia）
太陽風(fēng)特指由太陽上層大氣射出的超高速等離子體（帶電粒子）流。在太陽日冕層的高溫（一百萬攝氏度）下，氫、氦等原子已經(jīng)被電離成帶正電的質(zhì)子、氦原子核和帶負(fù)電的自由電子等。這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風(fēng)。太陽風(fēng)的速度一般在 200-800km/s。一般認(rèn)為在太陽極小期，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風(fēng)，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風(fēng)。
太陽風(fēng)的組成和太陽的日冕組成完全相同。73% 的是氫，25% 的是氦，還有其他一些微蹤雜質(zhì)。日冕是不穩(wěn)定的，它可形成太陽風(fēng)，耀斑和日冕物質(zhì)拋射，我們需要對(duì)這些現(xiàn)象的形成的原因進(jìn)行研究。上百萬噸的高磁化材料可從太陽中以幾百萬英里每小時(shí)的速度拋出，這相當(dāng)于一秒鐘從華盛頓到洛杉磯的速度。而我們并不知道它們是如何被加速的。
圖 | 太陽風(fēng)吹向火星藝術(shù)效果圖。（圖源：NASA）
從太陽上發(fā)射出的危險(xiǎn)的電子和質(zhì)子不能穿透地球的大氣層到達(dá)地球表面是因?yàn)椋?/span>地球有自己的磁場，這一磁場迫使這些粒子向其他方向運(yùn)動(dòng)，保護(hù)著地球。同時(shí)，地球也對(duì)太陽的變化做出回應(yīng)。但火星并沒有地球這么幸運(yùn)。在 2015 年一項(xiàng)研究中，科學(xué)家認(rèn)為，就是太陽風(fēng)將火星的大氣層剝離。
一部分這些帶電粒子能夠進(jìn)入地球磁層。它們將繞著磁場做螺旋運(yùn)動(dòng)。其中，陽離子往西緩慢漂流，陰離子往東漂流，形成環(huán)狀電流。這一電流會(huì)減弱地表的磁場。在穿透電離層時(shí)，帶電粒子會(huì)與那里的原子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生極光并發(fā)出 X 光。因此，極光也是一種空間天氣的物理現(xiàn)象。
極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣（>80km）時(shí)，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)，能量釋放產(chǎn)生的光芒形成圍繞著磁極的大圓圈，即極光。
極光也會(huì)發(fā)生在其它行星上，與地球一樣，它們也出現(xiàn)在行星磁極的附近。木星和土星這兩顆行星都有比地球更強(qiáng)的磁場，而且兩者也都有強(qiáng)大的輻射帶。哈伯太空望遠(yuǎn)鏡可以很清楚的看見這兩顆行星的極光。
在金星和火星上也曾觀測到極光。因?yàn)榻鹦菦]有內(nèi)在（行星本身）的磁場，金星的極光呈現(xiàn)不同的形狀和強(qiáng)度，看起來是明亮但彌漫的補(bǔ)丁，有時(shí)會(huì)分布在整個(gè)行星的盤面。
圖 | 地球上的極光（圖源：Wikipedia）
太陽風(fēng)的分布會(huì)影響地球的磁場，同時(shí)將能量泵入輻射帶。空間天氣可影響衛(wèi)星的軌道，并降低衛(wèi)星的壽命?？臻g天氣也會(huì)導(dǎo)致地球磁場的震動(dòng)，這將導(dǎo)致大面積電力設(shè)備毀壞。
科學(xué)家想了解太陽風(fēng)如何形成如何變化以及這些變化如何影響地球。而本次的任務(wù)對(duì)日-地之間聯(lián)系十分重要。任務(wù)將收集一些對(duì)理解和預(yù)測空間天氣極為重要的數(shù)據(jù)。這將推動(dòng)太陽圈、地球和其他行星極光和磁層的基礎(chǔ)物理學(xué)研究，以及幫助提高衛(wèi)星通訊、電網(wǎng)問題、管道腐蝕、航空航線輻射暴露及宇航員安全等研究。
而以上這些太陽的謎題都將隨著 Parker 為我們帶回珍貴的極近距離太陽探測數(shù)據(jù)而得到解答的可能。 Parker 的任務(wù)結(jié)束日期是 2025 年 6 月，按照科學(xué)家的計(jì)劃，它將在任務(wù)結(jié)束之后墜向太陽，被分解成越來越小的碎片，并成為宇宙塵埃的一部分。
-End-
聯(lián)系客服
