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帕克探测器将首次"触碰"太阳,它一开始可不叫这个名

科技资讯  2018年7月25日 10:34  来源:新浪科技
摘要:今年8月4日,帕克探测器将发射前往太阳。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次最近几天点飞掠期间,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。

  来源:中国科普博览

  今年8月4日,帕克探测器将发射前往太阳。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次最近几天点飞掠期间,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,项目组还组织了“签名上太阳”在线活动,期间感兴趣的公众可以在线署名,最终这些姓名收录在存储卡内,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。

图片提供:NASA图片提供:NASA

  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。

  帕克的大背景

  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。

LWS计划中第一颗上路的卫星SDO(图片提供:NASA)LWS计划中第一颗上路的卫星SDO(图片提供:NASA)

  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)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)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、最近几天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)  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)

  帕克太阳探测器:潜入太阳的深层领地

  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中开展实地勘测。

  它的最终轨道最近几天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,哪怕太阳轨道器的最近几天点距离也要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)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。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。

  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。另外,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)  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计划中深入太阳风源头的关键角色,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。