編譯 姚人杰

NASA的帕克探測器將會比以往更加靠近太陽，探索太陽的神秘大氣層。

貝琦·康登（Betsy Congdon）毫不理會神話里的教訓(xùn)，將她的工程師生涯的頭十年花費在一項非凡的追求上：建造出一臺探測器，讓它飛到靠近太陽的危險之地。

5月的一個細(xì)雨蒙蒙的日子里，在馬里蘭州的霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）里，康登蹲在一件被金屬箔包裹的測試樣本旁，那是她所在研究團(tuán)隊的成果——發(fā)泡碳防熱板，它比一張?zhí)卮箅p人床墊略寬，又比床墊薄得多。另一件樣本就在旁邊，這件隨時能使用的備用品被密封保存于一只金屬桶內(nèi)，桶上印著一句警告語“請不要直接暴曬在陽光下”，這無意中構(gòu)成了反諷。

真正的防熱板已經(jīng)一路向南運送到佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心，在8月11日之后，它會固定在NASA帕克太陽探測器的工作端，一起發(fā)射升空。6周后，探測器會抵達(dá)金星。金星的引力會牽動探測器，使它向太陽系的中心飛去。再過6周，帕克探測器會首次穿過日冕，從現(xiàn)在算起到2024年為止的時間里，它將總共飛掠日冕20多次。而日冕是太陽的一層稀薄的大氣層，由高溫帶電粒子或電漿構(gòu)成。

在這些飛掠中，防熱板必須保證探測器上脆弱的電子器件的安全，同時防熱板的表面溫度會激增到能熔化鋼鐵的1370攝氏度。熱量并不是來自日冕中溫度達(dá)到數(shù)百萬度的電漿（電漿太過稀薄，傳遞不了多少能量），而是完全來自強烈的日光。然而，康登并不緊張?！拔覀円呀?jīng)對其進(jìn)行了完整徹底的測試，”她說，聲音在恍如洞穴的航天器組裝室里回響，“我們已經(jīng)讓好多個樣品接受徹底的測試?！?/p>

受到大量磁場線的推動，熾熱的電漿（plasma）噴流從一處小太陽黑子升騰而起，該太陽黑子的面積差不多等于中國的國土面積

假如一切進(jìn)展得順利，探測器——安全地處在防熱板的陰影里——會發(fā)送回日冕電漿以及塑造出日冕的紊亂磁場網(wǎng)絡(luò)的記錄。那些數(shù)據(jù)能解開若干基礎(chǔ)性的謎團(tuán)。比如說，是什么東西將電漿加熱到太陽表面溫度的200倍以上？太陽風(fēng)（電漿粒子流）又是如何逃逸到太空的？自從太陽物理學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker，這次的太陽探測器以他的姓氏命名）在1958年描述了太陽風(fēng)起，太陽風(fēng)一直是個謎團(tuán)。更好地理解太陽風(fēng)能幫助現(xiàn)今的研究者改善他們對太陽磁暴的預(yù)測。太陽磁暴是強烈爆發(fā)的太陽風(fēng)，會撞擊地球磁場，最強烈的時候能破壞衛(wèi)星和電網(wǎng)。

耗資15億美元的帕克太陽探測器并非是近期唯一一個瞄準(zhǔn)太陽的大型科研項目。在夏威夷的茂宜島上，天文學(xué)家對“丹尼爾·井上太陽望遠(yuǎn)鏡”（DKIST）進(jìn)行最后一道工序，這個耗資3.5億美元的項目由美國國家科學(xué)基金會撥款資助。它的主鏡口徑達(dá)到4米，是現(xiàn)有最大太陽望遠(yuǎn)鏡口徑的兩倍多。當(dāng)DKIST在2020年6月開始運作后，它應(yīng)該能將鏡頭拉近到太陽的表面，達(dá)到前所未有的清晰度。同樣在2020年里，太陽軌道器（Solar Orbiter）預(yù)計也將發(fā)射升空，該項目耗費7.8億歐元，核心資助來自于歐洲空間局。這臺航天器將會從比帕克探測器稍遠(yuǎn)的地方，觀測穿過日冕、引起漣漪的高能輻射。

“我真心認(rèn)為，這些是變革性的任務(wù)?！被羧A德·辛格（Howard Singer）說道，他是位于科羅拉多州博爾德的太空氣象預(yù)測中心的首席科學(xué)家，該中心屬于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）。辛格與同事對太陽活動發(fā)出預(yù)測，不僅僅是為衛(wèi)星和電網(wǎng)運營商服務(wù)，也是為在南北兩極附近飛行的宇航員和航線服務(wù)。

假如目前的進(jìn)度表靠譜，DKIST和太陽軌道器將會趕在帕克探測器于2024年進(jìn)行離太陽最近的一次飛掠之前觀測日冕。那個時間安排應(yīng)該能讓太陽系物理學(xué)者對遠(yuǎn)處獲得和就地獲得的數(shù)據(jù)（而且是在同一時間收集到的數(shù)據(jù)）進(jìn)行合并和匹配，從而能夠測量日冕中的變化，同時在太陽起伏的表面觀察尋找線索，了解攪動和加熱日冕的過程。

2018年早些時候，3個項目派出的代表在APL初次會面，商討如何一起攻克日冕的謎團(tuán)?！皩τ谔栁锢韺W(xué)，這絕對是個獨一無二的時刻。我們能做一些聯(lián)合科研，那將會十分精彩。”瓦朗坦·馬蒂內(nèi)·皮耶（Valentin Mart í nez Pillet）說道，他是位于博爾德的美國國家太陽天文臺臺長，該天文臺是負(fù)責(zé)建造DKIST的機構(gòu)。

帕克探測器的太陽之旅實現(xiàn)了像美國太空計劃一樣悠久的遠(yuǎn)大目標(biāo)。1958年時，美國仍然因為蘇聯(lián)的斯普特尼克衛(wèi)星成功發(fā)射而飽受沖擊，美國國家科學(xué)院（NAS）的一個由早期的太空物理學(xué)家約翰·辛普森（John Simpson）和詹姆斯·范·艾倫（James Van Allen）擔(dān)任主席的委員會進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，羅列了一些希望進(jìn)行的太空任務(wù)，從科學(xué)角度上來說，這些任務(wù)能夠讓美國在太空探索中進(jìn)入領(lǐng)先地位。其中一個想法就是讓一臺探測器進(jìn)入水星軌道，嘗試探測太陽電漿。

數(shù)十年以來，這個想法未曾從任務(wù)名單中脫穎而出?！拔覀円呀?jīng)嘗試過五六次，”克里斯·圣西爾（Chris St. Cyr）說道，他在位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心工作，是NASA負(fù)責(zé)太陽軌道器的項目科學(xué)家，“在有現(xiàn)成的科研資金的時候，它從未獲得科學(xué)共同體的政治意愿?！?/p>

到21世紀(jì)初，NASA和NAS都將太陽探測器作為首要項目優(yōu)先推動。最終的成果帕克探測器會飛行到距離太陽不到0.04天文單位（AU）的地方，是水星繞日軌道的1/10，是目前最逼近太陽的探測器的記錄保持者的1/7。記錄保持者是20世紀(jì)70年代中期的太陽神號姊妹探測器，由西德和NASA聯(lián)合建造。這兩臺探測器每秒自轉(zhuǎn)一次，籍此均勻分?jǐn)偺柕臒崃俊?/p>

對帕克探測器而言，0.04AU代表了折中方案。NASA此前在2005年構(gòu)想的太陽探測器概念中，探測器會在一次或兩次飛掠中與太陽的最近距離，至少是目 前計劃的最近距離的1/2。

然而，那樣會花費昂貴。在2007年，NASA讓APL的管理方削減開支。作為回應(yīng)，他們改變了探測任務(wù)的設(shè)計方案，探測器會飛得與太陽更遠(yuǎn)些，同時增加飛掠次數(shù)作為補償。他們還換下了昂貴的放射性同位素電機，代之以吸收太陽能的面板——日冕中的太陽能無比充沛。為了預(yù)防過熱，帕克探測器在橢圓形軌道中靠近近日點時，會將太陽能板隱藏在防熱板下面的陰影里。當(dāng)探測器距離太陽稍遠(yuǎn)時，它會伸展打開太陽能板，捕捉陽光，同時有一套水泵系統(tǒng)用水浴為面板降溫。

接下來就要說到至關(guān)重要的防熱板。在建造帕克探測器的無塵室的樓上，就是康登的辦公室，她在那兒存放了一塊測試用的防熱板材料：正方形、行李箱大小、黑色。這種材料的構(gòu)造類似三明治，中間填充一層厚厚的發(fā)泡碳，兩邊是薄層的碳-碳復(fù)合材料。這種復(fù)合材料是一種用碳纖維編織出的材料，當(dāng)它被加熱到幾千度時，性能變得更強，而不是更弱。NASA的航天飛機的機頭和機翼上就裝有碳-碳復(fù)合材料的厚墊。

康登拿起樣品，將它展開。令人意外的是，樣品很輕，全尺寸的防熱板重量僅相當(dāng)于一個人的體重。觸碰一下的話，從樣本邊緣暴露出的粗糙的發(fā)泡碳像軟質(zhì)鉛筆的鉛芯一樣，會讓手沾上顏色。真正的防熱板外側(cè)有一層白色涂層，旨在反射盡可能多的熱量，但是在這塊沒有涂層的樣品上，有部分表面變得很黑，像是烤過了頭。

工程師耗費了許多心血，確保防熱板永遠(yuǎn)不會偏離帕克探測器和太陽之間的位置，包括當(dāng)探測器消失在太陽后面，它與地球的無線電聯(lián)絡(luò)被切斷的時候，或者是當(dāng)太陽自身的無線電發(fā)射淹沒探測器的無線電的時候。假如傳感器發(fā)現(xiàn)防熱板旋轉(zhuǎn)離開原位，一套自動化系統(tǒng)會扶正探測器的方向?！拔覀冃枰趲追昼姾髮⒎罒岚寤謴?fù)原位，搶在某個器件遭到嚴(yán)重?fù)p壞之前?！奔贰そ鹉嵘↗im Kinnison）說道，他在APL中擔(dān)任帕克探測器任務(wù)的系統(tǒng)工程師。

諷刺的是，防熱板在地球上碰到氧氣很容易燃燒。一項高溫測試發(fā)生了“令人驚恐”的大轉(zhuǎn)折，當(dāng)時實驗艙的真空密封破了，氧氣泄漏進(jìn)去?？档钦f道：“那東西燃起了火焰。”但是，在日冕的稀薄電漿中，氧氣稀少，僅有的氧原子已經(jīng)被高溫拽走外層電子。帕克探測器的科學(xué)團(tuán)隊希望弄明白這種現(xiàn)象背后的原因。

帕克太陽探測器的防熱板被降下放入一個模擬太空真空環(huán)境以及太陽熱度的實驗艙

帕克太陽探測器在佛羅里達(dá)州發(fā)射升空之前，等待裝上防熱板和太陽能板

太陽的可見表面叫做光球?qū)?，處于大約5 500攝氏度的高溫中。小學(xué)的物理教材認(rèn)為，因為日冕距離太陽核心的熱源更遠(yuǎn)，它的溫度應(yīng)該下降。恰恰相反，日冕的溫度激增到100萬攝氏度以上。

對于這額外熱量的來源，太陽系物理學(xué)者已經(jīng)爭論了數(shù)十載。他們至少在大體上取得一致。能量大概始于光球?qū)踊蚬馇驅(qū)右韵碌倪\動，天文學(xué)家在那兒見到了沸騰的顆粒。它們是對流電漿形成的泡泡，像火上的大鍋一樣燒得沸騰，挾帶著巨大的動能。

帶電荷的電漿和日常材料不同，會對磁力作出響應(yīng)，沿著磁場線流動。移動的粒子本身產(chǎn)生電流，電流又產(chǎn)生額外的磁場。有時候，磁場向上延伸，穿過太陽表面，進(jìn)入日冕。日冕能建立一條路徑，將顆粒的動能轉(zhuǎn)換成熱能。

“在此之外，假如我們引入5位理論物理學(xué)家，我們也許能獲得15項理論?！笔ノ鳡栒f。然而，科學(xué)家提出的日冕加熱路徑分成兩大類。

第一類是磁場線突出糾纏的突然變化將熱能泵送到日冕。雙腳扎根于光球?qū)拥脑S多磁場線外形酷似密蘇里州的圣路易斯拱門。但隨著太陽表面的攪動，磁場線的雙腳移來移去，讓上面的磁場線彼此糾纏在一起。應(yīng)力逐步增加，當(dāng)磁場線突然斷成更加穩(wěn)定的一段，大量的能量釋放到周圍的電漿中。

自從2010年起，一些太空任務(wù)已經(jīng)以幾乎逐秒的方式監(jiān)測太陽的變化。它們已經(jīng)觀測到那些被稱為“磁重聯(lián)”的突變，顯示出磁重聯(lián)能激發(fā)耀斑。這類事件常常發(fā)生，足以解釋日冕中部分——但并非全部——熱量的來源。理論物理學(xué)家長期以來一直懷疑，尺寸小得多的“毫微耀斑”（nanoflares）也可能在接近太陽表面的地方爆發(fā)，因為太小太微弱而未被探測到。每秒鐘出現(xiàn)100萬次這樣的毫微耀斑，每次的威力差不多相當(dāng)于5 000萬噸級的氫彈，這樣就能充分解釋日冕所測量到的溫度。

假如日冕的熱量確實來自于大量未被發(fā)現(xiàn)的不連貫爆炸，那么日冕中剛剛受到加熱的小片區(qū)域在能量擴散之前，應(yīng)該會達(dá)到高達(dá)1 000萬攝氏度的高溫。近些年里，衛(wèi)星和次軌道火箭以X射線和紫外線在地球大氣層之上觀測，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)來自日冕電漿的1 000萬攝氏度的高溫噴射，為這項理論增加了間接支持?！八谀莾?，那是某種程度上毋庸置疑的結(jié)論?！备赀_(dá)德太空飛行中心的天體物理學(xué)家吉姆·克利姆丘克（Jim Klimchuk）說道。

其他的理論物理學(xué)家為這些從太陽深處升起的熱量想象出一條不同的路徑。冒泡的電漿原胞的移動激發(fā)了向外的磁能波。從理論上來說，磁能波能夠擾動日冕中的磁場線，仿佛那是混合健身房里的力量繩一樣——尤其是一端附著在太陽上，另一端懸蕩于太空的磁場線。那種扭動加熱了附近的粒子，那些粒子“像在浪尖上的沖浪者”一樣，竊取熱能和動能，凱利·柯力克（Kelly Korreck）如此說道，他是太陽物理學(xué)家，在位于馬薩諸塞州坎布里奇的史密森尼天體物理觀測臺工作。

即將到來的三個探測任務(wù)應(yīng)該有助于弄清日冕的熱量來源比例，有多少來自于磁重聯(lián)，有多少來自于磁能波，或許還能弄清毫微耀斑之類的特定的次進(jìn)程，雖然柯力克的語氣有點兒謹(jǐn)慎：“沒有哪臺望遠(yuǎn)鏡肯定會找到答案?！迸量颂綔y器將會沿著一條路線移動，預(yù)計在路線周圍磁能波加溫占據(jù)主導(dǎo)地位。假如帕克探測器感測到磁能波，它就能檢查磁能波提供了多少能量。通過測量接近太陽地方的剛剛加熱后的電漿——比如說，一次毫微耀斑釋放出的熾熱的氦原子流——帕克探測器還應(yīng)該能查出磁重聯(lián)加熱事件的蛛絲馬跡。

至于DKIST和太陽軌道器，它們會研究帕克探測器移動路線下面的區(qū)域，補充信息。DKIST使用紅外光觀測，而太陽軌道器使用紫外線和X射線觀測，這兩臺觀測設(shè)施會勘查出稍縱即逝、彼此糾纏的磁場結(jié)構(gòu)，可能是這些結(jié)構(gòu)觸發(fā)了毫微耀斑。

帕克探測器還會探索芝加哥大學(xué)榮休物理學(xué)家帕克（時年91歲）留給科學(xué)界后繼者的謎團(tuán)：是什么驅(qū)使帶電粒子流以每秒數(shù)百公里的速度擴散進(jìn)入太陽系？在日冕底部，太陽磁場對電漿有很強的控制。在底部以上的某個地方，粒子移動的速度就快得足以擺脫太陽的引力，逃逸進(jìn)入太陽系?！澳蔷褪悄Хòl(fā)生的地方，太陽風(fēng)在那兒被大幅加速，然后就離開了太陽?！蹦莨爬じ？怂梗∟icola Fox）說道，她是APL帕克探測器項目的科學(xué)家，“我們會在那片區(qū)域里探測。”

太陽風(fēng)像日冕一樣，看上去都違背了基本物理學(xué)常識：隨著太陽風(fēng)開始擴散進(jìn)入太陽系，它應(yīng)該冷卻和放慢速度，但事實上它沒有。有什么東西在一直向外驅(qū)動太陽風(fēng)——或許是沿著螺旋路徑的粒子發(fā)出的能量，或者是等離子體湍流陣風(fēng)的耗散。帕克探測器記錄下它飛行穿過電漿的小尺度物理活動，這樣就會確定太陽風(fēng)是在哪兒啟動的，縮小有可能發(fā)動太陽風(fēng)的機制的范圍?！拔覀兌贾?，魔鬼在于細(xì)節(jié)中?！备？怂拐f。

2017年10月，一位精神抖擻的退休學(xué)者戴著發(fā)罩，穿著藍(lán)色鞋套，披著實驗室大褂，造訪了APL的無塵室，他的左右兩側(cè)都是參與這次任務(wù)的科學(xué)家。帕克親自過來查看這臺以他的姓氏命名的探測器，它將致力于研究帕克早在60年前描述的太陽風(fēng)。帕克提出太陽風(fēng)的概念，部分是來自于他對遠(yuǎn)離太陽方向的彗星尾的觀測。

這個概念曾經(jīng)讓爭議四起——有兩名評議者當(dāng)即否決帕克的論文。如今，太陽風(fēng)成為一門新興應(yīng)用科學(xué)的奠基石。也許事實會證明，理解日冕在平常日子里的行為是預(yù)測日冕極度活躍時行為的關(guān)鍵所在。不管是什么物理原理讓太陽風(fēng)加速，同樣的原理也激發(fā)了危險的太陽磁暴。

有害的太空天氣可分為好幾類。平時的太陽風(fēng)只會對在地球的保護(hù)性磁場以外的宇航員、對月球或火星這類深空地點造成健康風(fēng)險。耀斑朝向地球投擲出更加強烈的粒子和輻射爆，能導(dǎo)致衛(wèi)星故障，而當(dāng)它們被地球兩極附近的磁場匯集時，就產(chǎn)生了極光景色。最罕見也最強烈的事件被稱為“日冕物質(zhì)拋射”（CME），發(fā)射出密集的粒子團(tuán)，能壓制地球磁場，重創(chuàng)通訊技術(shù)。比如說，1967年，在多個早期預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)似乎遭到阻塞干擾后，美國空軍開始做核戰(zhàn)爭準(zhǔn)備。而它的罪魁禍?zhǔn)拙褪且淮未笠?guī)模日冕物質(zhì)拋射，幸虧及時發(fā)現(xiàn)真相，阻止了一場災(zāi)禍。

“日冕物質(zhì)拋射何時會發(fā)生？將會持續(xù)多久？將會有多么強烈？”辛格問道，“要弄明白如何去預(yù)測日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象，還存在巨大缺口?！?/p>

日冕物質(zhì)拋射發(fā)生時的預(yù)兆甚少。NASA和NOAA負(fù)責(zé)追蹤太陽風(fēng)的衛(wèi)星逗留在地球與太陽之間的穩(wěn)定引力點，引力點位于距離太陽1%的地方。按照太陽風(fēng)的速度，在那兒收到的太空天氣事件能在15分鐘后抵達(dá)地球。于是，學(xué)會從帕克探測器、DKIST和太陽軌道器的數(shù)據(jù)中識別太陽破壞性事件的預(yù)警征兆，就會導(dǎo)向更好的預(yù)測，辛格說道。

DKIST會用顯微鏡觀察噴出耀斑的相同磁場結(jié)構(gòu)。太陽軌道器會測量太陽遠(yuǎn)端的磁場，并測試：在密集磁場經(jīng)由自轉(zhuǎn)進(jìn)入我們視野之前，監(jiān)測那些磁場是否能改善未來對日冕物質(zhì)拋射的預(yù)測。通過測量日冕中小型耀斑噴發(fā)時的狀況，帕克探測器應(yīng)該會改進(jìn)太空天氣模型。團(tuán)隊成員希望探測器可以幸運穿過日冕物質(zhì)拋射。

但是，要實現(xiàn)這些目標(biāo)，仍然有許多工作要做?？档亲约旱奶角蟛畈欢嘟Y(jié)束了。防熱板緊緊地固定在帕克探測器上方，準(zhǔn)備進(jìn)入太空?？档窃缫延喓昧?月發(fā)射窗口開啟時去佛羅里達(dá)的機票，她不是要去工作，而是要去作為一名游客，在為APL訪客特別留出的特別觀景區(qū)觀賞探測器的發(fā)射升空。帕克也是如此，他將和家人一同前往，他們會受到貴賓般的款待。

“科學(xué)家臉上的喜悅之情——那就是我們在尋找的東西?！笨档钦f。

資料來源 Science