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        “帕克”奔日,能解開哪些謎題

        2018-08-21 07:41:54周舟
        瞭望東方周刊 2018年32期

        周舟

        位于太陽大氣最外層的日冕可達(dá)上百萬攝氏度,“帕克”如何耐受得住太陽之火而不被燒化昵

        萬物生長靠太陽,但太陽是我們“最熟悉的陌生人”,對(duì)這顆人類賴以生存的大火球,還有太多的問題沒有弄明白。

        8月12日,美國“帕克”太陽探測(cè)器從佛羅里達(dá)州啟程,踏上人類歷史上第一次近距離“觸摸”太陽的逐日之旅。那么,它如何接近太陽?有什么“防烤化”高招?又會(huì)帶來哪些新發(fā)現(xiàn)呢?

        史上最靠近太陽的航天器

        首先從“帕克”自身談起,這個(gè)探測(cè)器重約635千克,大小如同一輛小汽車。美國航天局指出,這個(gè)探測(cè)器“相對(duì)較輕”,因?yàn)榻咏栃枰薮蟮哪芰??!芭量恕笔褂卯?dāng)前世界上推力最大火箭之一“德爾塔4”發(fā)射,所用發(fā)射能量是前往火星的55倍,比前往位于太陽系邊緣的冥王星也多出一倍。

        上天后。“帕克”將越飛越快,打破人造物體的飛行速度紀(jì)錄——在最接近太陽時(shí),一小時(shí)就能飛70萬千米。按這種速度。只要一分鐘就能從華盛頓飛到北京。不過,要接近太陽,還必須借助行星的引力踩“剎車”減速。這個(gè)行星,就是金星?!芭量恕睂?次近距離飛掠金星,利用其引力調(diào)整軌道并降低速度,從而逐漸靠近太陽。

        按計(jì)劃,“帕克”將于9月底第一次掠過金星,然后于11月首次抵達(dá)近日點(diǎn)。美國航天局說,這時(shí)“帕克”距太陽只有36個(gè)太陽半徑的距離。約2500萬千米。其實(shí)已經(jīng)成為史上最靠近太陽的航天器。

        “帕克”預(yù)定工作壽命7年,其間將環(huán)繞太陽24圈,最終將飛至距太陽表面約610萬千米的最近點(diǎn)。只有不到10個(gè)太陽半徑的距離。這意味著探測(cè)器進(jìn)入了日冕層內(nèi)。日冕是太陽大氣的最外層,在這里,帶電粒子被加速到超音速并飛離太陽,形成了可能危害地球的太陽風(fēng)。

        構(gòu)成太陽風(fēng)的帶電粒子與太陽表面之間相隔一段距離,這一間距的上層邊界被稱為“阿爾芬點(diǎn)”。“阿爾芬點(diǎn)”距太陽表面數(shù)十個(gè)太陽半徑,此前尚未有航天器能直接觀測(cè)“阿爾芬點(diǎn)”之下的情況。“帕克”項(xiàng)目科學(xué)家、美國亞利桑那大學(xué)助理教授克里斯托弗·克萊因在一份聲明中說:“如果‘帕克進(jìn)入了‘阿爾芬點(diǎn)之下,我們就可以說它進(jìn)入太陽大氣層并‘觸摸到太陽了?!?/p>

        此前。最接近太陽的人類探測(cè)器是德美兩國共同研制的“太陽神2號(hào)”,它曾于1976年飛至距太陽表面約4300萬千米的地方,是計(jì)劃中“帕克”與太陽表面最近距離的約7倍。

        酷熱高溫都不怕

        太陽表面溫度約6000攝氏度,而位于太陽大氣最外層的日冕可達(dá)上百萬攝氏度,“帕克”如何耐受得住太陽之火而不被燒化呢?

        美國航天局說,盡管日冕溫度高得驚人,但因?yàn)槲镔|(zhì)密度低,可導(dǎo)熱粒子稀少,對(duì)航天器的影響實(shí)際上并沒有想象中那么大,這就好像手在熱烤箱里能比在熱水里堅(jiān)持更長時(shí)間。按照他們的計(jì)算,“帕克”進(jìn)入日冕后,面向太陽的那一面將僅被加熱到約1400攝氏度,盡管這個(gè)溫度也足以讓鐵熔化。

        更重要的是,“帕克”面向太陽的一面裝有厚約11.4厘米的防熱罩,由輕質(zhì)碳復(fù)合泡沫制成,表面涂有白色陶瓷涂料,可反射盡可能多的陽光,使探測(cè)器內(nèi)部的工作環(huán)境可維持在30攝氏度左右。幾十年前,美國航天局就有探測(cè)日冕的計(jì)劃,但直到最近材料科學(xué)取得進(jìn)展,研制出了這種防熱罩,計(jì)劃才得以真正實(shí)施。

        “帕克”探測(cè)器上也有設(shè)備沒有躲在防熱罩后,其中一個(gè)是被稱為“法拉第杯”的傳感器,用來測(cè)量太陽風(fēng)中離子和電子的相關(guān)數(shù)據(jù)。“法拉第杯”使用鉬合金制成,其熔點(diǎn)高達(dá)2349攝氏度,而為它產(chǎn)生電場(chǎng)的芯片由鎢制成,熔點(diǎn)高達(dá)3422攝氏度。

        另外。設(shè)計(jì)人員采用金屬鈮制造電線,并用藍(lán)寶石晶管來隔熱,防止電線被烤化。

        “帕克”探測(cè)器上還有多個(gè)高溫保護(hù)機(jī)制。比如,研究人員在防熱罩陰影的邊緣安裝了多個(gè)傳感器,一旦某個(gè)傳感器探測(cè)到陽光,便會(huì)通知中央電腦,“帕克”探測(cè)器隨即自動(dòng)糾正姿態(tài),確保內(nèi)部儀器安全。

        四大儀器解謎題

        費(fèi)盡心機(jī)探測(cè)太陽,并非只是滿足“奔日”夢(mèng)想,人們對(duì)太陽的了解還遠(yuǎn)不充分,其中一個(gè)主要的未知領(lǐng)域是日冕物質(zhì)拋射和太陽風(fēng)形成等太陽活動(dòng)。比如.科學(xué)家尚不清楚太陽風(fēng)中的粒子如何獲得加速度。另外,日冕溫度遠(yuǎn)高于太陽表面,這也是一個(gè)謎。

        為回答這些問題,“帕克”探測(cè)器搭載了四大儀器。分別是測(cè)量日冕電場(chǎng)和磁場(chǎng)的FIELDS、記錄太陽風(fēng)中粒子速度、密度和溫度等數(shù)據(jù)的SWEAP、直接給太陽日冕拍照的WISPR以及測(cè)量粒子能量及種類的ISIS。

        美國航天局說,“帕克”探測(cè)器將在日冕層展開近距離觀測(cè),希望能“革命性改變對(duì)太陽的認(rèn)識(shí)”。同時(shí),這項(xiàng)任務(wù)也將增進(jìn)對(duì)其他恒星的認(rèn)識(shí),并有助于更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)重大空間天氣事件,從而更好地保護(hù)人造衛(wèi)星、宇航員以及地球上的電網(wǎng)和飛行器等。

        “帕克”探測(cè)器以曾提出太陽風(fēng)存在的美國物理學(xué)家尤金·帕克的名字命名??粗芭量恕鄙朐葡?,這位91歲的老人在美國航天局電視直播中說:“我想說,哇,開始啦,接下來的幾年我們將會(huì)學(xué)到一些新東西?!?/p>

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