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2018-3-10

帕克探测器:触及太阳

归档于: 天文空间科学, 空间科学 @ 10:03 pm

既然身居太阳的势力范围之内,太阳系中的大小天体都无法摆脱这颗中央恒星的影响。太阳的引力将周边天体束缚在各自的轨道上,它所发出的辐射又为行星和卫星提供了光和热。实际上,从某种意义上说,我们就是在太阳物质的包围之中生活的——从太阳表面流出的等离子体流(太阳风)足足延伸到了上百天文单位之外甚至更远处,一路塑造着空间天气的变化起伏,同时也改变着浸没其中的行星的周边环境,常年盘旋在地球(以及其他行星)南北极上空、随太阳活动而消长的极光就是最直观的证据。

剧烈的太阳活动会引发恶劣的空间天气现象,进而对电子电路、无线电传输以及航天活动带来致命的影响。在日益依赖电力与自动化设备的当代社会,充分认识并预报这些现象的意义不言自明。因此在21世纪伊始,NASA启动了“与星同在”(Living With a Star,简称LWS)计划,目的在于更好地了解我们身边的这颗恒星,以及它的变化对地球产生的可能后果。至于具体的实施方法?自然就是派遣一系列的航天器飞抵日地系统中的不同位置,充当空间气象观测的前哨站——从记录每一次太阳活动期间的影像,到测量太阳风以及地球磁层的各个物理参数,不一而足。

在LWS计划中,第一颗上路的卫星是2010年服役的太阳动力学观测台(SDO),它凭借其大气成像仪(AIA)、极紫外光变仪(EVE)以及日震学仪器兼磁像仪(HMI),不厌其烦地记下了无数太阳活动区和日面磁场结构,同时又用精细而绚烂的日面假彩色影像惊艳了无数世人。

太阳动力学观测台拍摄的多波段假彩色太阳拼接图。(图片提供:NASA)

在SDO之后两年半发射、以高偏心轨道环绕地球运行的两架范艾伦探测器则在地球外围含有大量高能粒子的辐射带中反复穿行,通过回答辐射带粒子加速的问题,持续加深着人们对太阳风与近地太空环境相互作用的认识。稍后经历过多次放飞的辐射带相对论性电子损失气球阵列(BARREL)则在地球大气之内开展观测,是范艾伦探测器的有力补充。

艺术家笔下在范艾伦辐射带中穿梭的范艾伦探测器。(图片提供:NASA)

LWS的重要组成部分还包括预计于2020年升空、近日点径直探入水星轨道之内的太阳轨道器(SolO)。它将花费7年的时间来环绕太阳飞行,测量太阳风的性质,同时第一次直接拍摄地球上难以瞥见的太阳极区的影像。入轨之后,SolO想必会揭秘未知的新领域,进一步革新太阳物理学。

在日面前方飞行的太阳轨道器(艺术图)。(图片提供:航天器:ESA/ATG medialab;太阳:NASA/SDO/P. Testa, CfA)

但要论LWS计划的最激动人心之处,莫过于整装待发、即将在今年夏天踏上奔赴太阳之旅的帕克太阳探测器。这架原名太阳探测器+的航天器最大的亮点是“触及太阳”,堪称即将把上古神话天马行空的幻想和当今太阳物理学家急迫的探索渴求变为现实的新时代伊卡鲁斯——从与太阳的距离来看,绝大多数已有或即将发射的太阳观测平台充其量只是混迹于太阳风中甚至是地球附近的外围分子,帕克探测器却是要扎扎实实地潜入日冕之内开展实地勘测。它的最终轨道近日点距离太阳表面不到600万千米,这个数字只是太阳半径的不到9倍,已然算是太阳大气的深层领地。作为比较,哪怕太阳轨道器的近日点距离也要7倍于此,其他同类卫星就更不用提了。

即将离开地球飞往太阳的帕克探测器艺术图。(图片提供:JHU/APL)

抛开神话中的凭空想象不谈,为何要身临其境地考察日冕?主要是因为这一区域对于认识太阳以及空间天气的意义实在是太重大了。太阳风的速度有快有慢,其中持续流出的致密慢速太阳风成分与日冕相近,看上去源于日冕的赤道区域;据信来自光球层的高速太阳风也是从磁力线开放的冕洞中涌出的。而太阳活动的重要表现——耀斑在现象上主要表现为色球增亮,但根源实为日冕中的磁场变化;更且耀斑后往往伴有猛烈的日冕物质抛射(CME),当是影响空间天气的重要因子。除此之外,日冕高达数百万开尔文、远远超过下方光球或色球层的温度从何而来,长期以来也一直困扰着太阳物理学家;虽然近来空间卫星的观测将可能的原因归结为种种磁场过程,但问题本身至今还没能得到彻底的解决。

帕克探测器在太阳周边的飞行路径(浅蓝色曲线),蓝色圆盘大致表示太阳和日球层探测器大视场分光日冕仪的覆盖范围。(图片来源:scitechdaily.com

所以帕克探测器的使命就是扮演LWS计划中深入太阳风发源地的关键角色,直溯将日冕加热、吹出太阳风的能流,并勾勒出太阳风源头处的等离子体和磁场形态,探索高能粒子加速和输运的机理——这也是探测器去年秋天更名为帕克的原因。要问这位帕克是何方神圣?他就是现代太阳风和磁重联理论的奠基人、美国科学院院士尤金·纽曼·帕克(Eugene Newman Parker)。说来帕克并非认识到太阳风存在的第一人,甚至也不是第一个猜到太阳风由带电粒子组成的学者。但他在初出茅庐的1958年就率先证明,高温日冕的热膨胀加速是超音速太阳风的持续起源。他还一并预言,太阳风勾勒出了磁力线的所在,因此在源头的风向会与日面垂直;但在太阳自转的作用下,更大尺度上的磁场应该呈螺线形态。帕克螺旋在弥漫的等离子体太阳风中更是塑造出了庞大且同样呈螺旋状的日球层电流片,充斥着整个太阳系。

旋转的太阳磁场诱发的日球层电流片的理论图像。(图片提供:John M. Wilcox/Werner Heil)

帕克的这套太阳风理论在开始时并不受欢迎,相关论文也被两名审稿人一致要求拒稿,只是在时任《天体物理学报》编辑钱德拉塞卡的力保之下才得以发表。“巧”的是,帕克现今的头衔正是芝加哥大学的钱德拉塞卡杰出荣休教授,可以说没有当年钱德拉塞卡的慧眼识珠,他恐怕也不会取得今天的名望。不过平心而论,用今天的眼光来看,这篇撰写于60年之前的文章充满了大胆且开放的假设与猜想,严谨度和说服力着实要打上些折扣。由于空间观测数据匮乏的上世纪中期自有其局限性,帕克遭遇的审稿人作出此等反应也属情理之中。直到稍晚些时候美苏两国接二连三地发射了一大批空间探测器,证明了太阳风的真实性,帕克经典太阳风解的价值才被挖掘出来。

除了在探测器更名后被媒体广为宣传的太阳风起源,帕克另一个不得不提的重要贡献是带给磁重联理论的,在时间上甚至比太阳风解的提出更早一些。磁重联是已有磁力线断开并重组的事件,通常认为这是包括耀斑在内众多太阳活动的根基;此外太阳风中携带的磁场与地磁场发生的重联也会诱发极光等现象,因此在日地关系的研究中不可谓不重要。而最经典的磁重联理论就叫做斯威特—帕克(Sweet-Parker)模型,它是帕克在1956年一次会议上听到彼得·斯威特(Peter Sweet)提起两团磁场方向相反的等离子体彼此靠近后发生的过程,自己又进一步推导了其标度关系而发展起来的。这套模型第一次将稳态磁重联数学化,当是日后所有重联理论的基础。

随着空间观测技术的成熟,人们对空间环境的认识日益深入。帕克太阳风解也好,斯威特—帕克磁重联模型也罢,都已经不再能完全解释观测了——前者难以应付速度高达每秒700余千米的高速太阳风成分,后者有限的重联率又不足以将全部爆发现象纳入掌控中。就算如此,它们的奠基性地位也还是不容动摇。因此作为空间天气研究的先驱,帕克本人可谓无数荣誉加身,不仅是美国天文学会属下太阳物理学大奖——海尔奖的第一位获奖人,还陆续荣获太平洋天文学会的布鲁斯奖、英国皇家天文学会的金质奖章、美国物理学会用于表彰等离子体突出贡献人的麦克斯韦奖、被誉为日本诺贝尔奖的的京都赏,如今又迎来了太阳探测器的冠名,也算是开创了NASA以在世者命名航天器的先例,而且还是罕有的发射前命名。

业已90高龄的尤金·帕克教授在参观约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的帕克太阳探测器组装车间。(图片提供:NASA/JHUAPL)

帕克太阳探测器带着极具历史意义的名字,意在实现历史性的太阳接触,其路途却充满了要克服的障碍。且不说它在立项之初就已经历过的重重波折(这几乎已经成了NASA大型计划的通例),在项目本身被大开绿灯之后,如何飞往太阳就成了首先要攻克的难点。从地球发射后直接经过转移轨道前往太阳附近未免太过消耗燃料,所以像那些飞往金星轨道之内的前辈航天器一样,帕克也要先花费好几年的时间,多次借助金星的引力来改变飞行方向,最终将进入周期88天的环日轨道。

入轨后,任务团队要解决的又一个关键问题当属保证探测器能够在较长时间里顺利应对太阳周边的极端环境,从而有效开展科学研究。最终的环日轨道偏心率极高,近日点距离只有600万千米,而远日点则达到了上亿千米。在一个轨道周期之内,帕克只会以每秒200千米的创记录高速在近日点附近停留10余天。这是为了保障探测器安全而必须作出的选择——太阳附近无论是磁场还是带电粒子流均远远强于近地空间,它们极有可能导致电子设备放电或材料的辐射损伤,更且会严重干扰通信。如果帕克探测器在日冕之内的近圆轨道上运行,怕是要不了多久就会整机报废了,更要命的是还不得不冒着相当一部分科学数据无法传回地球的风险。

帕克探测器前往太阳的轨迹,以红色曲线表示。图中还由外到内标出了地球、金星和水星的公转轨道。(图片来源:scitechdaily.com

神话中的伊卡鲁斯因为飞得太过接近太阳而导致蜡质翅膀升温熔化,不幸地摔到了地面上。为了免遭类似的命运,帕克探测器本体的设计显然也要格外谨慎。前面已经说过,日冕有着百万开尔文的高温,现有任何材料都禁不起如此温度的摧残。好在这个数字看似夸张,其实不过是日冕物质运动的动力学描述,只意味着其中的粒子热运动速度极高而已。在日冕的低密度环境下,手持温度计前去测量倒是不会得到太可怕的读数。

但就算如此,距离太阳超级近也等同于阳光超级强烈。阳光本质上是一种近似黑体的辐射,不可避免地要输送热量。根据计算,帕克探测器在抵达近日点处所承受的太阳辐射剂量是地球附近的500倍左右,朝向太阳一面的温度更是会上升到1600开尔文以上,已然接近或超过多种主流金属材料的熔点。为了保护星载设备不受损伤,它们都被安置在绝热罩之后。这套绝热系统厚11.43厘米,由最先进的碳纤维强化碳素复合材料制成,可以让其阴影中的温度降到300开以下的日常室温水平;再配合能够自动判断环境条件、及时让探测器转向以实现防护最优化的软件系统,各系统得以免遭烈日之害。可以说,虽然飞向太阳的幻想自古有之,虽然研究者在几十年前的太阳风发现之初就已认识到了直接探测日冕的意义和重要性,但直到近年,我们才具备了有效抵御强烈日照的技术手段,触及太阳一事也才变得指日可待。从这一点来看,当代伊卡鲁斯要远比神话中的悲剧人物幸运得多,也必然会平安得多。

正在接受热环境测试的帕克探测器绝热罩与太阳能电池板冷却系统。(图片提供:NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman)

科学仪器大可放心躲在由绝热罩构筑的安乐窝中采集数据,但太阳能电池板却不能,它们必须要时刻迎向太阳收集光线,哪怕到了近日点也不例外。传统的航天器电池板无力应付高温强辐射的环境,所以工程师不仅参考了前往水星的信使号探测器的成功经验,又专门为帕克探测器设计了独此一家别无分号的主动制冷式供电系统。而且考虑在轨道不同位置上探测器与太阳的相对姿态有所不同,安装在绝热罩后方的一对电池板还采用了可开合的设计,在太阳附近向内收拢,远离太阳后打开。就连热量从电池组件向底部压板的传输方式都与众不同,特意用上了优良热传导性和绝缘性兼具的陶瓷载体和特制粘胶来保证散热。只有一点,看上去与上述种种高大上的创新格格不入的是电池板制冷系统所采用的冷却剂——区区5升高压水。毕竟航天器设计的总原则无外乎实用且尽量降低成本,既然化学性质无害又能满足目标温度范围需要、本体还不至于太重的物质非水莫属,这种常见得不能再常见的液体当然也就获得了项目组的垂青。

(关于帕克探测器太阳能电池板的设计,在此还要多扯几句。直到本文写成之时,Wikipedia仍将这套系统描述为“a dual system of solar panels”,称其分为主副两对,主电池板只在远离太阳时展开,而面积小得多的副电池板带有制冷系统,用于近日点飞掠。但这个设计实际是在差不多10年前提出的预研方案,最终并未被采纳。现已建成的这架探测器只设一对电池板,每块各分为主副两区,之间以固定角度相连,其中只有翘起的副区才会在近日点附近接收阳光。Wikipedia的相关词条是又一个将早年参考文献过分当真的典型,简直跟牧X商业论坛的X某人去年那次自以为旧资料在手天下无敌进而乱写一气FAST望远镜技术细节的无知无畏如出一辙。要知道帕克的建造也不过是近两三年的事情,在工程领域,对年代过于久远的文献绝对要慎重处理,尤其是写成于正式开工前较长时间的文档,随意引用的风险真的很大!)

左:2008年发表的帕克探测器设计结构图,伸展在两侧的黑色矩形是主电池板,左侧主电池板上方的蓝紫色矩形小结构就是当年设想的副电池板之一。(图片来源:Landis & Smith 2008)右:帕克探测器建成后的实际结构图,可见只保留了一对电池板,其外侧稍稍翘起的部分就是过近日点前后仍需工作的副区,但图中描绘的是电池板在远日点附近全面展开的形态。(图片提供:JHUAPL)

所有这些措施都是为了科学考察的正常开展。帕克探测器携带有4架仪器,分别负责日冕与日球层内区的成像、太阳周边电子/磁场/波动/坡印廷流/等离子体性质的实地观测、被太阳大气加速的高能电子/质子/重离子的计数,以及太阳风主要成分的性质测量。它们共同构成了太阳高层大气研究的有机整体,更将与太阳动力学观测台、范艾伦探测器以及其他太阳观测卫星一道搭建起针对太阳的多层次监测网。这是人类第一次有机会从太阳活动的源头上进行采样,并真切体会与星相伴的生活,其中可能蕴涵的新知让人期待不已。

帕克太阳探测器的科学载荷图示。(图片提供:Fox et al. 2016

今年7月的最后一天,帕克探测器前往太阳的发射窗即将开启,并一直持续到20天之后。在此期间,探测器将搭乘安装有上级箭体的德尔他IV型重型火箭升空,随后在9月底第一次飞掠金星,11月初首次从35.7倍太阳半径之外与太阳系的中心恒星擦肩而过。在7年之后的第22次近日点飞掠期间,帕克将抵达目标轨道,在那里把LWS计划的最前哨部署到日冕之内,第一次实现与太阳接触的亘古梦想。

与此同时,地面太阳观测台站也在积极配合帕克探测器而作出相应的筹备,以图在不久的将来协同开展天地联测,并更好地解释帕克传回的数据。而在4月27日之前,所有感兴趣的人也都可以在线参与“签名上太阳活动”,期间征集的所有姓名将收录在存储卡内,由帕克探测器带到太阳大气的深处,一同见证这次空前的探险旅程。

 

注:本文受科普融合创作与传播项目资助,已授权中国科普博览发布,授权版有改动,请勿转载。

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