刚刚,人类开始了离太阳最近的一次太空探索

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08-12 16:40

刚刚,美国宇航局 (NASA )耗资 15 亿美元打造的帕克太阳探测器 (Parker Solar Probe),从卡纳维拉尔角空军基地的第 37 号发射台升空

帕克太阳探测器将成为有史以来距离太阳最近的太空探测器,这也会是在太阳系中生活了 300 万年的人类,与太阳最「亲密」的一次接触。

距离太阳最近太空任务

帕克太阳探测器原定于昨天发射,但发射计划被临时取消,调整到了北京时间今天下午 15 点 31分,但无论如何这次任务都将被载入人类探索太空的史册,就像当年的阿波罗登月。

按照计划,帕克太阳探测器将进入炽热的太阳日冕层,直接从太阳的大气层穿过,最近的时候距离太阳表面只有 610 万公里,要知道距离太阳最近的行星水星,与太阳的平均距离也有近 5800 万公里,这也是人造航天器首次抵达恒星大气层。

▲太阳日冕层区域.

被太阳高温炙烤的水星,白天温度就到达 430 ℃,而在外日冕层温度更是接近 1400 ℃,在这样的高温下,太空探测器和众多仪器都无法正常工作,这也是过去人类一直无法靠近太阳的原因。

但这次帕克太阳探测器却可以抵挡住这样的高温,关键则在于一块直径 2.3 米,厚度仅为 11.43 厘米的碳-碳复合材料隔热罩,表面附有陶瓷涂层,能将大部分太阳光反射回去。

▲ 工作人员正在给探测器安装隔热罩.

这个隔热罩就像一块防护盾,将高度大约 3 米,直径大约 1 米的帕克太阳探测器与高温隔绝。隔热罩内外可谓是冰火两重天,外侧要承受约 1373℃ 的高温,而隔热罩另一边的探测器内却能保持不到 30 ℃ 的温度。

而且由于帕克太阳探测器要绕着太阳飞行,隔热罩还要不断调整位置才能确保挡住太阳光,因此探测器机身上配备了多个光照传感器来实时调整隔热罩位置。

除了隔热罩,帕克太阳探测器内部也还有一个水冷循环系统,通过冷却水循环对机身进行降温,以确保内部设备能正常运行。

这趟逐日之旅,需要 7 年

从发射到抵达太阳日冕层,帕克太阳探测器需要耗费 7 年,期间要进行 7 次飞掠金星,围绕太阳飞行 24 圈,每飞一圈都会更接近太阳,直至抵达日冕层。

▲帕克太阳探测器预计飞行轨迹.

这其实是利用了航天动力学中的「弹弓效应」,通过行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和成本。

这样的场景在科幻电影《星际穿越》就曾出现,电影中飞船因为燃料不足以返航地球,宇航员通过多次飞近了一颗引力巨大的行星,从而获得了加速度。

▲《星际穿越》剧照

太阳探测器也不是第一个在中采用这一原理飞行的探测器,2011 年 NASA 发射的木星探测器「朱诺」就借助了木星引力产生的「引力弹弓」进行加速,加速的推力相当于火箭起飞时 70%,能让探测器达到 114 倍音速。

为什么要去探测太阳?

为了研发帕克太阳探测器,NASA 先后花费了 15 亿美元。因此这趟旅程当然不只是去太阳附近逛逛而已,而是要试图解开太阳中几个未解之谜。

首先就是为什么太阳的大气层(日冕层)的温度要比更太阳表面还要高不少。

因为太阳的能力主要来自于其核心的核聚变,按照常理距离核心更近的太阳表面应该比距离核心最远的日冕层更热才对。

然而事实上却刚好相反,日冕层的温度最高达 110 万摄氏度,而太阳表面的温度才 6000 多度。目前科学界对此有多种猜想,但却没有一个理论能被主流科学界认可。

另外两个谜题则与太阳风有关,太阳风一种高速向外扩散的高能带电粒子流,但至今无法解释其为什么能以超过 700 公里/秒的高速扩散,并形成太阳风暴。

为了监测这些奇怪的现象,帕克探测器配备了多项精密仪器,包括能测量日冕中的电场和磁场的 FIELDS、监测太阳风电子、质子和阿尔法粒子速度的 SWEAP、捕捉太阳日冕的可见光图像的 WISPR,以及负责研究太阳风加速的「太阳综合科学探测仪」(ISIS)等。

帕克探测器获得的数据,也有助于科学家进一步研究太阳活动对于地球的影响,但这几项现象涉及的等离子物理,基本很难通过理论推算以及实验室来完成,就像加州大学伯克利分校的物理学教授斯 Stuart Bale  说的:

把航天器放在热等离子体(太阳)中是最理想的实验室。

彩蛋:帕克太阳探测器还将打破这些记录

除了是最靠近太阳的一次太空任务,帕克太阳探测器还将创造多项新的记录。

史上速度最快的飞行器

当帕克太阳探测器抵达日冕层附近,将以超过 70 万公里的时速穿越外日冕层,这将创造人造飞行器最快的飞行速度记录,是上一位记录保持者(40 万公里/小时)的近两倍。

NASA 第一次以健在人物命名航天器

帕克太阳探测器其实是以 91 岁的太阳天体物理学家尤金·帕克(Eugene N. Parker)命名的,正是他在 1958 年首次提出了太阳风的存在,当时这一理论还没有被主流科学界接受。

▲帕克在帕克太阳风探测器命名仪式上

尤金·帕克对于太阳风的研究为人类与太阳的接触奠定了基础,这次帕克太阳探测器对于太阳的几项科研任务,也是建立在帕克对于太阳风的研究基础上,因此 NASA 决定以帕克的名字来为这艘探索太阳未解之谜的探测器命名。

这是 NAS A第一次以健在人物命名航天器,而帕克本人也亲临佛罗里达见证了以他名字命名的太阳探测器的发射。

百万民众一起「升天」

这次跟着帕克探测器一起靠近太阳的,还有 110 多万普通民众的名字。

今年年初,NASA 在帕克太阳探测器上放置了一枚记忆卡,并公开邀请民众在上面在线填写自己的名字。

最终 1137202 个名字被储存在这张记忆卡中,将跟着帕克太阳探测器开启一段历时 7 年,行程 79 亿英里的旅程,最终抵达距离太阳最近的地方,并环绕太阳飞行。

▲一张包含由公众提交的 1137202个名字的记忆卡

不过帕克探测器是不太可能返回地球了,也不会一直绕着太阳转,当燃料耗尽,隔热罩也不能再自动调整,除了隔热罩之外的部分都会被燃烧殆尽。

但如无意外那块隔热罩还会一直围绕太阳旋转,十年、一百年、一千年,甚至到人类灭亡,就像加州伯克利大学博士生@Ent_evo 所想象的一个场景

也许当智慧生命第二次在地球上诞生的时候,会注意到太阳边上的一个明亮小物体。也许这将是伊卡洛斯飞得离太阳最近的一次。

题图及部分配图来自:NASA

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