冲向太阳的探测器

2018-11-16 03:08:22 今日文摘2018年21期

苗千

在升空8天之后,帕克太阳探测器在2018年8月20日启动了自身的引擎。这次“近乎完美”的长达7分钟的第一阶段轨道修正操作至关重要,探测器通过引擎提供的动力修正了自己的轨道,然后义无反顾地向太阳飞去。

为了摆脱地球重力的影响,想要把这个600多公斤重、一辆小汽车大小的帕克太阳探测器送上轨道,需要比发射火星探测器多出55倍的发射能量。虽然发射数次被推迟,帕克太阳探测器仍在2018年8月12日由一架巨大的德尔塔-4重型运载火箭送上了天空。这个让科学家们花费了数十年,耗资15亿美元的科学项目终于进入了一个全新的阶段。

与人类此前绝大多数的太空探测项目不同,帕克太阳探测器的目标是距离地球最近的恒星——太阳。这也是美国航空航天局(NASA)“与日共存”科学项目的一部分,近距离探测太阳的活动,试图理解恒星的运行机制,以及它可能对人类社会造成的各种影响。

“让我们看看那里都有什么”

观看帕克探测器升上天空的人群中有一个特殊的老人,他就是著名的天体物理学家尤金·帕克,正是他在大约60年前首先提出了“太阳风”的概念以解释太阳的一系列谜团。如今发射的探测器正是以他的名字命名,这也是美国航空航天局首次以一位在世的科学家命名航天器。帕克在1958年第一次提出了直接探测太阳风的设想,并留下了一句名言:“让我们看看那里都有什么。”这句话如今被刻在了帕克太阳探测器的一个铭牌上奔向太阳。

在太空中,调整了航向的帕克太阳探测器正在以超过每小时6.1万公里的速度向太阳前进,而且它还将不断加速,最终会达到创纪录的相对于太阳每小时70万公里的速度,这也将创造人类制造的飞行器的速度纪录。除了速度之外,帕克探测器还将创下距离太阳最近的人类探测器的新纪录。此前,德国和NASA联合研制的“太阳神2号”探测器曾经在1976年创下了距离太阳4300万公里的纪录。顺利的话,帕克探测器将把这个纪录一举提高7倍。它将在2024年抵达距离太阳只有610万公里的近日点(地球与太阳的平均距离大约为1.5亿公里)。

按照计划,帕克探测器会在2018年10月3日第一次飞临金星,并且利用金星的引力场进行减速和调整航向,为它在2018年11月5日第一次到达距离太阳1500万公里的近日点,并且在接下来的12月开始向地球发送探测数据做准备。这将仅仅是一个为期7年的太阳探测项目的开头。按照计划,帕克太阳探测器将会7次飞临金星,利用其重力场调整航向,并且24次围绕着太阳进行探测,每一次它都会探测太阳大气层一个完全不同的区域,为地球发送各种探测数据和照片。这将是解开困扰了人类上百年的有关太阳的各种科学难题至关重要的一步,必将为人类对太阳的理解带来革命性的影响。

对一个临近的天体发射探测器进行近距离探测,听上去顺理成章,但是相比于其他天体,对太阳进行近距离探测的困难显而易见——这个距离地球最近的,也是人类唯一有可能探测的恒星无时无刻不在释放巨大的能量,不加防范地妄图接近只会被烧成灰烬。正因为如此,这次耗费了科学家们数十年努力的科学探测,为了能使探测器尽量接近太阳,保护它最大限度地不受太阳热量的干扰而正常工作,是最需要解决的工程问题。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室为探测器设计了一套热保护系统,使它能够在极端条件下工作。探测器需要在几十万摄氏度的环境中进行工作,这之所以能实现,是因为虽然在这个区域的温度极高,但是因为太阳系内的空间物质密度极低,能够向探测器的热保护系统传递能量的高能粒子的数量并不太多。根据科学家的计算,在几十万摄氏度的环境中航行,探测器朝向太阳一面的温度大约会达到1400摄氏度。这样的温度对于一个精密的科学探测器来说仍然极其危险,而在一个直径大约2.4米、厚11.5厘米的热盾的保护下,探测器自身则可以维持在30摄氏度左右正常工作。在测试过程中,这个热保护系统可以承受1600摄氏度以上的高温,足以保障探测器的正常运行。

问题在于,并不是帕克探测器的所有科学仪器都会躲在热盾的后边工作。它用来收集来自太阳风的各种粒子样本的仪器在工作时就需要伸出热盾之外,它还需要在高温环境中能够测量和读取太阳风中电子和离子的流量和飞行角度,这需要特殊的材料和设计。这一部分的探测设备由钼锆钛合金材料制成,这种特殊材料的熔点可以达到2300摄氏度以上。除此之外,热保护系统还使用了大约37升的去离子水用作冷却剂。这套复杂的系统将会在未来几年里接受太阳的考验。

日冕热量之谜

为什么要探测太阳?实在是因为太阳对于人类来说太过重要。生活在地球上的人类所获得的能源,归根结底都是来自太阳的输送,生命离不开阳光普照。

除了实际生活的需要,对太阳进行科学探测对于人类宇宙学的发展也有着至关重要的意义。在可预见的未来里,太阳都会是人类唯一有可能进行实际探测的恒星。理解太阳的结构,有助于人类理解恒星的活动规律,加深对整个宇宙的理解。除此之外,对于太阳本身,尤其是对于日冕部分,人类还有很多持续多年的困惑,帕克太阳探测器的工作有可能帮助人类一举解决这些难题。

太陽的大气层(日冕)要比其表面温度高出很多。在日冕外层,温度可以超过100万摄氏度,而向内1600公里到达太阳的表面,温度则只刚刚超过5000摄氏度。如何解释太阳外层不同区域之间相差了几百倍的温差,是天文学多年来最大的谜团之一,这被称为“日冕热量之谜”。

因为太阳过于耀眼,就连发现关于它的难题都不是一件容易的事情。在拥有各种高精度的观测仪器之前,人类大多只能在发生日全食的时候对太阳进行观测。当月亮恰好挡住太阳中间的主体部分,人类就可以借机观测其周边的日冕区域,分析其频谱构成。在1869年的一次观测中,人们分析日冕的光谱,结果发现了一条从未有过的绿线。发现此前未见的谱线往往说明发现了一种全新的元素。德国科学家安东·古伦华德为这种从未在地球上发现过的新元素命名为“氪”——直到20世纪30年代才由瑞典科学家本特·艾德伦发现,那个引人注目的绿色线条并非表示存在一种新元素,而是说明了铁离子的存在。因为过热,铁原子失去了自身一半的电子成为离子,才呈现出了一条离奇的谱线。但问题在于,经过计算,人们发现想要铁原子失去多达一半的电子,需要达到超过100万摄氏度的温度,这才意识到了日冕热量之谜。

日冕不仅温度极高,还能够一直保持这个温度,说明有着源源不断的能量供应。想要在理论上解决这个问题,首先需要建立一些模型。正是在20世纪50年代,当时在芝加哥大学任教的物理学家尤金·帕克首先提出了一系列关于恒星如何释放能量的模型。在这个复杂的模型中包含了等离子体、电磁场和高能粒子等复杂的物质和物理过程,简单描述也就是如今人们说的“太阳风”。帕克提出,可能存在一種叫作“毫微闪焰”的现象造成了日冕的高温。而除了用这种能够产生出纳米级耀斑的毫微闪焰模型来解释日冕热量之谜以外,还有另外一种理论认为日冕外层的能量来自于电磁场。电磁场让带电粒子快速旋转,从而获得巨大的能量。

这两个用以解释日冕热量之谜的理论模型各有支持者,更多科学家认为,真正原因很可能是两种因素都在起作用,因为这两个理论并不相互排斥,很可能共同造就了太阳外层的高温。除了这两种主要理论之外,还有其他各种理论试图解释日冕热量之谜,想要真正解开日冕热量之谜,就需要详细了解太阳风的构成。而太阳风要花费4天时间才能穿越1.5亿公里的距离到达地球,此时太阳风的粒子已经和空间中的其他粒子相混合,失去了自身的特点,没有太大的研究价值。因此,想要最终解决这个问题,别无他法,只能向太阳发射一个探测器,近距离采集太阳风的粒子。

人类发射一个探测器去探测一颗恒星,这种原本只会在科幻小说中出现的场景正在成为现实。人类可能难以想象,帕克太阳探测器在茫茫宇宙中经过几个月的旅行,到达近日点时所面对的场景。在距离太阳仅有630万公里的位置,相比于从地球上观察太阳,这颗恒星在天空中大了25倍,也亮了625倍。人类因为自身的限制,可能永远无法直面这样的奇观,却可以制造出探测器代替自己去身赴险境。在任务结束后,帕克太阳探测器将会分解成较大的几个部分,进而逐渐分解成更小的几个部分,继续围绕着太阳运行。最终,这个来自地球的探测器将会消失在百万摄氏度高温的日冕中,成为日冕的一部分。

自从人类文明的诞生之日起,太阳在所有文化中就具有极为特殊的意义。这颗恒星为所有生命提供了光和热量,它强大、无情,不可违背,有如神明的化身,它稍有异常都会引起人们的恐慌,以为这是来自于未知的某种警示。如今人类制造出探测器去主动接近和探测太阳,这也标志着人类文明离开了襁褓,终于有能力直面决定着自身命运的恒星。

(陈强生荐自《三联生活周刊》)

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