劉聲遠(yuǎn)

美國(guó)宇航局的下一艘太陽(yáng)探測(cè)器將最近距離探測(cè)太陽(yáng)，科學(xué)家將此形容為——

美國(guó)宇航局的下一次太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)——“帕克太陽(yáng)探測(cè)”，將是有史以來(lái)最接近太陽(yáng)的探測(cè)任務(wù)。美國(guó)宇航局2017年5月31日宣布，原名“太陽(yáng)探測(cè)附加”的任務(wù)已改名為“帕克太陽(yáng)探測(cè)”任務(wù)（以下簡(jiǎn)稱帕克任務(wù)），以此對(duì)美國(guó)芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家尤金·帕克表示敬意。

早在1958年，帕克就預(yù)測(cè)了太陽(yáng)風(fēng)（太陽(yáng)風(fēng)是源自太陽(yáng)大氣層的帶電粒子流，這些粒子以每小時(shí)好幾百萬(wàn)千米的速度噴發(fā)，一路流到冥王星軌道外很遠(yuǎn)的地方）的存在。在1958年發(fā)表的一篇論文中，帕克描述了太陽(yáng)怎樣以高速物質(zhì)、磁性和等離子體的形式噴發(fā)能量。從那以后，實(shí)際觀測(cè)證實(shí)了帕克在這篇論文中的描述，帕克的這一論文由此奠定了恒星與其行星系統(tǒng)之間關(guān)系的基石。美國(guó)宇航局已經(jīng)采用了大約20個(gè)人名來(lái)命名其太空探測(cè)任務(wù)，其中最有名的也許是“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”。但現(xiàn)年89歲的帕克是被以此方式致敬的首位在世科學(xué)家。

“帕克號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器”（以下簡(jiǎn)稱帕克號(hào)）的前身是20世紀(jì)90年代設(shè)想的“太陽(yáng)軌道器”，這兩者的設(shè)計(jì)與目標(biāo)幾乎同出一轍。“太陽(yáng)軌道器”任務(wù)是美國(guó)宇航局“外行星/太陽(yáng)軌道器”（簡(jiǎn)稱OPSP）方案的核心部分之一。該方案的前3項(xiàng)任務(wù)計(jì)劃分別是“太陽(yáng)軌道器”“冥王星快車”（冥王星和柯伊伯帶勘測(cè)任務(wù)）及“歐羅巴軌道器”（聚焦木衛(wèi)二即歐羅巴的天體生物學(xué)任務(wù)）。但隨著歐克飛被任命為美國(guó)宇航局局長(zhǎng)，整個(gè)OPSP方案都因?yàn)?003年的美國(guó)預(yù)算問(wèn)題而被取消。這一取消還造成“新地平線號(hào)”任務(wù)也被取消，該任務(wù)原本是作為“冥王星快車”的替代任務(wù)。經(jīng)過(guò)繁瑣冗長(zhǎng)的政治紛爭(zhēng)，“新地平線號(hào)”終于獲得經(jīng)費(fèi)，在2006年發(fā)射。21世紀(jì)10年代初，“太陽(yáng)探測(cè)附加”任務(wù)終于獲準(zhǔn)。在此之前，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)“應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室”于2008年5月1日宣布，它將設(shè)計(jì)、建造太陽(yáng)探測(cè)器，并計(jì)劃于2015年發(fā)射。最終，發(fā)射時(shí)間被推后到2018年。

帕克任務(wù)最初開(kāi)始構(gòu)想實(shí)際上是在1958年，即美國(guó)宇航局成立那一年。但直到今天，才具備了發(fā)射探測(cè)器近距離觀測(cè)太陽(yáng)的技術(shù)條件。早期的“太陽(yáng)探測(cè)器”任務(wù)設(shè)想是，使用木星引力援助機(jī)動(dòng)，抵消探測(cè)器從地球發(fā)射而來(lái)的軌道速度，以便把探測(cè)器投送到靠近太陽(yáng)的軌道。帕克任務(wù)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了這一軌道，改為使用在金星的重復(fù)引力援助，逐漸降低探測(cè)器軌道近日點(diǎn)距離，最終讓探測(cè)器距離太陽(yáng)約8.5個(gè)太陽(yáng)半徑，即不到600萬(wàn)千米。

帕克任務(wù)投資高達(dá)15億美元。2018年7月或8月（從7月31日起，有一個(gè)為期20天的發(fā)射窗口），在美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，帕克號(hào)將由“德?tīng)査男汀敝匦突鸺l(fā)射升空。在之后7年里，帕克號(hào)將24次飛近太陽(yáng)，其中多次將飛到距離太陽(yáng)表面不到600萬(wàn)千米的地方。科學(xué)家說(shuō)，從太空意義上說(shuō)，這已算是“觸摸”太陽(yáng)。這樣的距離比水星還靠近太陽(yáng)得多。

帕克號(hào)飛近太陽(yáng)當(dāng)中的7次，將比有史以來(lái)的其他任何探測(cè)器都更接近太陽(yáng)表面。在此之前，飛得最靠近太陽(yáng)的飛行器是美國(guó)和德國(guó)合作的“赫利俄斯2號(hào)”。1976年，它從距離太陽(yáng)4343萬(wàn)千米的地方飛過(guò)。帕克說(shuō)，帕克號(hào)將進(jìn)入此前從未被探索過(guò)的區(qū)域，能讓我們更詳盡測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)發(fā)源地的內(nèi)部情況，這無(wú)疑將帶來(lái)一些驚喜，因?yàn)樘?yáng)總是帶給我們驚喜。

還值得一提的是，當(dāng)帕克號(hào)近距離環(huán)繞太陽(yáng)時(shí)，它的速度將達(dá)到每秒200千米，這將是人造物體達(dá)到的最大速度，也是目前這一速度的保持者——“赫利俄斯2號(hào)”的速度的差不多3倍。按照這一速度，從美國(guó)首都華盛頓到美國(guó)費(fèi)城只需1秒鐘。

在接近太陽(yáng)表面的區(qū)域內(nèi)，環(huán)境條件自然是非常極端的：在距離太陽(yáng)最近時(shí)，3米寬的帕克號(hào)預(yù)計(jì)將耐受1370℃的高溫，以及比地球上的強(qiáng)度高520倍的太陽(yáng)輻射。帕克任務(wù)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)，是運(yùn)用一面太陽(yáng)陰影盾（防熱罩），讓帕克號(hào)能在太陽(yáng)附近的嚴(yán)苛環(huán)境中存活下來(lái)。防熱罩位于帕克號(hào)正前方，由強(qiáng)化碳-碳復(fù)合材料制成。帕克號(hào)的飛行器和科學(xué)儀器都位于防熱罩背后的陰影中，太陽(yáng)光完全照不到它們。因?yàn)榕量颂?hào)的軌道是很扁的橢圓，有時(shí)候帕克號(hào)距離太陽(yáng)很近，有時(shí)候帕克號(hào)又回到金星軌道位置，所以防熱罩不僅必須耐受超高溫，而且必須忍受很大的溫差而不至于開(kāi)裂。

帕克號(hào)由先進(jìn)復(fù)合材料制成的防熱罩覆蓋。厚度為11.4厘米的防熱罩，將確保帕克號(hào)搭載的4部科學(xué)儀器在與室溫相仿的條件下運(yùn)作。帕克號(hào)的主要?jiǎng)恿τ商?yáng)能雙電池板提供。主要電池板用于驅(qū)動(dòng)帕克號(hào)在距離太陽(yáng)0.25天文單位（太陽(yáng)與地球之間的平均距離為1天文單位）以外的飛行。在帕克號(hào)接近太陽(yáng)時(shí)，這面電池板縮回在防熱罩的陰影中，小得多的次級(jí)電池板驅(qū)動(dòng)帕克號(hào)在接近太陽(yáng)過(guò)程中的飛行。次級(jí)電池板通過(guò)液壓冷卻，維持操作所需的低溫。

帕克任務(wù)將讓科學(xué)家更好地了解太陽(yáng)系的基本過(guò)程，以及推測(cè)宇宙中其他幾千億個(gè)恒星系統(tǒng)的情況。帕克指出，太陽(yáng)本身就是宇宙中的一大奧秘，而且它是我們唯一能仔細(xì)觀測(cè)的一顆恒星，并且恒星是非常復(fù)雜的天體?？茖W(xué)家希望能破解有關(guān)太陽(yáng)的一些基本奧秘。事實(shí)上，了解太陽(yáng)怎樣創(chuàng)制和維持自己的大氣層，對(duì)于了解其他恒星怎樣維持它們的大氣層、這些大氣層怎樣影響周圍行星以及這些行星上的潛在可居住性來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是重要的一步。

帕克號(hào)將執(zhí)行一系列科學(xué)任務(wù)，例如測(cè)量太陽(yáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)、拍攝太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和研究太陽(yáng)風(fēng)。如果一切順利，帕克號(hào)的觀測(cè)將有助于科學(xué)家破解兩個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)的奧秘：太陽(yáng)風(fēng)是怎樣被加速的？太陽(yáng)最外層大氣——所謂的“日冕”（日冕是包裹太陽(yáng)的等離子體。其他恒星也被這樣的“冕”包裹）的溫度，為什么比太陽(yáng)表面的溫度高得多？日冕溫度高達(dá)170萬(wàn)℃，而太陽(yáng)表面溫度只有5526℃。有科學(xué)家說(shuō)，這好比“水往山上流”。也有科學(xué)家說(shuō)，這好比“把一只裝著水的壺放到一塊冰上，然后水開(kāi)始沸騰”。言下之意：這根本就不該發(fā)生，卻為什么實(shí)際上發(fā)生了？endprint

要想回答這兩大問(wèn)題，只有通過(guò)前往太陽(yáng)風(fēng)的誕生地附近，近距離觀測(cè)太陽(yáng)。而這些問(wèn)題的答案，并非只具有科學(xué)研究意義。太陽(yáng)風(fēng)聽(tīng)起來(lái)蠻詩(shī)意的，但它絕非微風(fēng)怡人。有時(shí)候，太陽(yáng)噴射強(qiáng)烈的等離子體流，即日冕物質(zhì)爆發(fā)。如果這些帶電粒子與地球大氣層的磁場(chǎng)相互作用，其在地球上形成的電流就可能讓電網(wǎng)的變壓器過(guò)載，還會(huì)損傷汽油和天然氣管道。此外，太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)擾亂通信及全球定位衛(wèi)星，還可能以輻射威脅太空中的宇航員。2006年，一次強(qiáng)烈太陽(yáng)爆發(fā)迫使國(guó)際空間站上的宇航員躲進(jìn)氣閘艙和其他重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。現(xiàn)代太空探索需要把宇航員、人造衛(wèi)星和飛行器送到太陽(yáng)系中更遠(yuǎn)的地方，這讓太空天氣預(yù)測(cè)（包括預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)的概率）變得越發(fā)重要。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院最近的一項(xiàng)研究估計(jì)，如果不得到預(yù)警，一場(chǎng)巨型太陽(yáng)事件僅對(duì)美國(guó)就可能致?lián)p2萬(wàn)億美元，整個(gè)美國(guó)東海岸地區(qū)可能停電1年。美國(guó)宇航局因此表示，為了破解日冕奧秘，也為了保護(hù)人類文明免遭太空天氣事件威脅，該局決定發(fā)射帕克號(hào)去“觸摸太陽(yáng)”。帕克號(hào)將專門攜帶的一個(gè)芯片上，裝載著尤金·帕克的多幅照片，以及他在1958年發(fā)表的那篇具有里程碑意義的太陽(yáng)風(fēng)論文。帕克號(hào)上還將安裝一面有著特殊意義的牌匾，美國(guó)宇航局已經(jīng)邀請(qǐng)帕克本人撰寫牌匾上的銘文內(nèi)容。

為了接近太陽(yáng)，帕克號(hào)將環(huán)繞金星7圈，以確保自己能進(jìn)入離太陽(yáng)盡可能近的軌道。只有飛得離太陽(yáng)足夠近，才能實(shí)地觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)從亞音速加速至超音速的情況，才能飛到高能太陽(yáng)粒子的誕生地。帕克號(hào)在發(fā)射時(shí)的自身重量為685千克，長(zhǎng)度為3米，最大直徑2.3米，形狀為六角形。它從地球到太陽(yáng)的旅途長(zhǎng)達(dá)1.496億千米。為確保這趟漫長(zhǎng)旅程順利，需要使用一系列太陽(yáng)能電池板。帕克號(hào)搭載四部主要的科學(xué)儀器，分別是：場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀，用于測(cè)量電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波；集成科學(xué)調(diào)查裝置，用于觀測(cè)高能電子、質(zhì)子和重離子；寬視場(chǎng)相機(jī)，用于為太陽(yáng)拍照；太陽(yáng)風(fēng)電子和質(zhì)子調(diào)查儀，用于為太陽(yáng)風(fēng)中的粒子計(jì)數(shù)。

日冕加熱之謎

太陽(yáng)光球?qū)樱ㄌ?yáng)表面）的溫度大約為5526℃，而光球?qū)由戏降娜彰釡囟雀哌_(dá)100萬(wàn)～200萬(wàn)℃。日冕的極高溫說(shuō)明，日冕不是由光球?qū)拥闹苯訜醾鲗?dǎo)來(lái)加熱的。

科學(xué)家推測(cè)，加熱日冕所需的能量是由光球?qū)酉旅鎸?duì)流區(qū)的湍流運(yùn)動(dòng)提供的?？茖W(xué)家提出了兩種主要機(jī)制來(lái)解釋日冕加熱。第一種機(jī)制是波加熱，即對(duì)流區(qū)中的湍流產(chǎn)生聲波、引力波或磁流體動(dòng)力波。這些波向上運(yùn)動(dòng)，在日冕中耗散，以熱量形式把能量沉積在周圍物質(zhì)中。第二種機(jī)制是磁加熱，即通過(guò)光球?qū)舆\(yùn)動(dòng)持續(xù)累積磁能，并且以大型太陽(yáng)耀斑及大量類似但小規(guī)模事件——納耀斑的形式釋放磁能。

目前不清楚波是否是一種有效的加熱機(jī)制。除了阿爾芬波（沿磁力線運(yùn)動(dòng)的橫向電磁波）之外，所有波都被發(fā)現(xiàn)在到達(dá)日冕之前就會(huì)耗散或折射。另外，阿爾芬波在日冕中不容易耗散。因此，對(duì)日冕加熱之謎的現(xiàn)行研究都聚焦于耀斑加熱機(jī)制。但實(shí)際情況是否如此，有待帕克任務(wù)證實(shí)。endprint