人类将首次“触摸”太阳

记者/刘辛味 编辑/陈永杰 校对/肖园

8月6日，著名的卡纳维拉尔角又要迎来一次传奇冒险，佛罗里达州的夜空将再次被点亮。美国国家航空航天局(NASA)正准备发射一枚新的太阳探测器——“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)。它将成为历史上第一个穿越太阳大气层的飞行器，让我们首次“触摸”太阳。

▲艺术家绘制的探测器假想图

解决三大科学问题

为什么我们要去那么近距离地探索太阳?在NASA关于帕克太阳探测器的新闻发布会上，科学家给出了答案。实际上，太阳远比我们眼睛看到的复杂得多，根本不是安静地挂在天上。太阳是一颗磁场非常活跃的恒星，它的大气层不断向外发出带电粒子，甚至能远远地发散到冥王星轨道外，沿途影响着它们所触碰的一切物质，也就是我们所说的太阳风(Solar Wind)。在太空中穿行的光和粒子会随着磁场的爆发对地球的大气层造成短暂的破坏，干扰无线通信信号，甚至破坏地面上的电网。

“太阳的能量总是流过我们的世界，”约翰霍普金斯大学帕克太阳探测器项目首席科学家Nicky Fox说，“即使太阳风是看不见的，但当它们到达地球两极，我们能看到美丽的极光，这意味着有巨大的能量和粒子进入了大气层。我们对太阳风形成的机制缺乏深刻理解，而这正是我们要研究的。”

当然，太阳活动不只有太阳风，那些对地球影响的情况被统称为空间天气，了解它们起源的关键就在于理解太阳本身。NASA戈达德飞行中心太阳物理科学部副主任Alex Young说：“我们研究太阳已经几十年了，现在终于该行动了。”

新闻发布会上介绍了三大科学任务。第一，帮助科学家了解日冕极高温度的奥秘。太阳表面温度约为5500℃，但日冕温度可以高达表面温度的数百倍，飙升到上百万摄氏度。其实有些违背常理，“这有点像你离开了篝火，结果突然变热了”，Fox说。太阳的热量来自它的核心，但反而距离远的更热，热量是如何在太阳大气中移动的?

第二项任务就是研究太阳风。虽然现在科学家已经很大程度上知道了太阳风形成的原因，但仍有一点未知，也是从未观察到的——太阳风是如何加速到超音速的?帕克探测器将直接通过该区域，并沿着粒子运动方向飞行，帮助科学家揭开这个谜团。了解太阳风的环境影响至关重要，因为最终人类要进入深空，必须保护我们免受伤害。

第三个主要任务是帕克上携带的仪器来揭示太阳高能粒子加速的机制。Young说：“太阳会爆发大量的粒子，这些粒子会达到光速的一半，会干扰电子设备，尤其是地球磁场外的卫星。”

帕克太阳探测器上带有一系列科学仪器来回答这些问题。包括太阳风电子、α粒子和质子研究;宽场成像望远镜，将拍下太阳日冕和内日球层的三维图像，从而真正“看到”太阳风;电磁场研究将直接测量穿过太阳大气层的等离子产生的冲击波;太阳科学综合研究，通过谱仪监测探测器周围各种能量的粒子，研究它们来自何处，如何加速以及如何穿过星际空间。

帕克为何不怕热

要距离太阳如此之近，承受百万度的高温，帕克探测器是如何做到的?事实上这也是为何今天才能发射的原因。如今的技术才能保证太阳探索成为现实。

“热保护系统(隔热罩)是航天器的任务成行的保障之一，它能够让航天器在大约室温下运作”，约翰霍普金斯大学应用物理实验室帕克太阳探测器项目经理Andy Driesman说。

帕克太阳探测器的热保护系统，由两块碳纤维合成板中间夹着约11.5厘米厚的轻型碳泡沫芯，就像一块碳组成的三明治。为了反射尽可能多的热量，系统表面涂有白色陶瓷材料。虽然它的直径长约2.4米，但由于使用轻质材料，整个热保护系统仅为帕克太阳探测器的质量增加了约70千克。而有了这个防热系统，探测器的另一端将会保持在30℃左右。在实验中，这套系统承受了1650℃的高温。

或许你会觉得这个数字不够大，怎么能抵挡住日冕数百万度的高温?其实这背后还有一套基本的科学概念，热量和温度并不是一码事。与我们直觉相反的是，高温并不总是转化为对物体的实际加热。在太空中温度可达数千度，但不会给物体带来巨大的热量。太阳探测项目热防护首席工程师Betsy Congdon解释，温度可以衡量粒子移动的速度，而热量则与它们传输的总能量有关。粒子可能快速移动(高温)，但如果它们数量很少，就不会传递太多能量(低热)。

NASA科学家Susannah Darling做了一个骇人的比喻：把手放进烤炉中能承受比放在开水里更高的温度，这是因为在开水中会接触更多的粒子。尽管宇宙中存在大量粒子，但相比之下仍是真空，日冕的密度极低，没有多少粒子会直接把热量传给探测器。帕克的隔热罩只会被加热到1400℃，而不是百万摄氏度。

当然，为了某些科学目标的直接探测，还有仪器要待在热保护系统外面。用于测量太阳风离子和电子流的太阳探测杯(Solar Probe Cup)就不受保护，而它由耐高温的特殊合金(钛锆钼，熔点约为2349℃)制成，芯片则由钨制成(熔点约3422℃)。电子线路也要经受高温考验，研究团队使用了蓝宝石水晶管布线，并用铌制成电线。

在实验中模拟了极端环境进行了测试，太阳探测杯成功地通过了测试甚至超出预期，暴露时间越长，结果越好。密歇根大学安娜堡分校SWEAP仪器的首席研究员Justin Kasper说：“我们认为辐射清除了(导致实验误差的)污染物，基本上是把自己弄干净了。”

▲帕克太阳探测器的命名是为了向著名的太阳天体物理学家帕克致敬，这也是NASA首次以在世科学家的名字命名一个飞行器。 图为帕克本人拿着太阳探测器模型出席发布会

强大的辅助系统

帕克太阳探测器上实现了三大技术突破，除了顶尖的隔热罩，还有太阳电池阵列冷却系统和先进的故障管理系统。太阳电池阵列冷却系统保证了极端环境下产生电能。它的设计十分精巧，当靠近太阳时，帕克的电池阵列会收缩到隔热罩保护范围，只露出一小部分，以免过热。

NASA的科学家认为这套系统十分简单：一个加热水箱，保证冷却剂在发射过程中不被冻结;四个钛管制散热器，上面的铝鳍只有0.5毫米厚;再加上冷却剂的循环泵。而冷却剂只是约3.7升的水。虽然太阳的高温将是整个探测器面临最大的考验，但发射后的几分钟将决定它能否前往太阳，探测器要穿过冰冷的太空，极短时间内完成从冷到热的过度，很多冷却剂也不能在温度跨度如此之大的情况下正常工作，所以选择了水。

另一个至关重要的问题是探测器与地球保持通信。因为距离如此之远，信号要8分钟才能抵达地球，如果地面的科学家发现它出问题，再做纠正为时已晚。所以，科学家们又在故障管理系统上进行了创新——在与地球长时间无法联系期间保护航天器。在隔热罩内侧边缘装有几个传感器，若它们检测到了光，说明探测器位置不正确，科学仪器就有可能暴露在高温处。此时系统会接收到传感器发出的警报，探测器会自动调整位置，以确保仪器的安全。■