人类太空探索再进一步:“帕克”开启太阳之旅

原标题:人类太空探索再进一步:“帕克”开启太阳之旅

本报记者 白杨 北京报道

导读

“帕克”最近可飞到距离太阳表面约600万千米的位置,这仅为地球到太阳距离的1/25。从而获取日冕、太阳风等方面的“一手”信息。

美国东部时间8月12日凌晨3点31分,美国宇航局的“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)成功发射升空,开启了它的太阳之旅。

按照计划,“帕克”预计于2025年6月结束此次探测任务。在为期7年的任务中,“帕克”将绕着太阳飞行24圈,并创造多项历史,比如成为第一个进入太阳日冕层的探测器、人类创造的最快移动物体以及史上最耐高温的探测器等。

“从人类出现开始,对浩瀚宇宙的探索和研究从未停止过,而且随着科学技术的发展,人类对宇宙的认识和对宇宙的释义也不断发展。” 中国科学院国家天文台研究员詹虎在8月11日召开的2018世界科技创新论坛上表示。

也正是基于数十年来的科学研究以及对太空探测的不懈努力,才使得人类“触及”太阳不再是天方夜谭。

史上最“热”的任务

2006年诺贝尔物理学奖获得者、伯克利加州大学物理学教授George Smoot 8月12日表示,人类在太空探索上存在很多挑战,比如引力带来的阻力、太空垃圾、缺少太空定位系统、进入太空的手段单一等。

事实上,人类对于上述问题的解决能力有多少,也决定了在探空探索中能走多远。对于“帕克”来说,在执行这一前所未有的太阳探测任务之前,首先要解决的是“耐热”问题。

太阳作为整个太阳系的能量源泉,人类在距其约1.5亿千米的地球上,已经能较为深刻感受到它的热量。而当“帕克”飞进太阳日冕层时,它身边物质的温度将高达上百万度,同时还会受到的更为强烈的太阳辐射。

这里需要了解的是,温度和热量两个概念的区别。在太空中,温度可能是上千度,但是深处其中的物体的热量并不一定这么高,这主要取决于空间中粒子的密度,因为热量需要粒子来传递,所以如果粒子的温度高但数量少,其传递的热量也大大降低。

日冕层便是如此,它温度虽然极高但密度非常低,这使得“帕克”穿越它时,隔热罩表面温度约为1400摄氏度。为了承受这个热量,科学家们为“帕克”研制了一个直径2.4米、12厘米厚、重73千克的碳复合材料防热罩(TPS),它由两块碳纤维合成板夹着11.5厘米厚的轻型碳泡沫芯组成,可承受1650摄氏度高温,因此它能帮助“帕克”阻挡掉绝大部分热量。此外,在隔热罩面向太阳一侧,科学家们还涂上了特殊配方的白色涂料,以尽可能多地反射太阳热量。

当然,隔热技术仅仅能保证“帕克”在高温情况下的存活,而它身上还肩负着更为艰巨的科研任务。这时候,有一些探测仪器就不能躲在隔热罩背后。

在隔热罩外,“帕克”带有多个特殊传感器,它们只有手机一半大小,用于测量太阳风的离子和电子流动情况,并以此来调整“帕克”的姿势。不要小看这些传感器,因为从太阳向地球传递信号需要约8分钟,如果“帕克”遇到一些突发情况,在地球上进行指挥显然有些迟钝。

而现在,“帕克”通过传感器在前端可以实时收集数据,若其中任何一个检测到太阳光,都会向”帕克“的计算中枢报警进行校正。同时,也不用担心传感器在隔热罩外会被高温融化,它们都是由钼合金制成,熔点高达2000多度。

另外,“帕克”上还有一些其他特殊设计,以保证其免受高温的影响。比如太阳能电池板,在飞往太阳的过程中,“帕克”似乎不需要担心能源的问题,但要担心的是太阳能电池板的受热问题。

所以,在“帕克”每次进入太阳时,太阳能电池板都会缩回至隔热罩里,只保留一小部分暴露在太阳下,这部分依靠冷却系统来获得持久的电力供应。

据悉,冷却系统由热管、散热器和去离子水(冷却液)等组成,热管可把被加热的去离子水导入散热器,起到冷却太阳电池翼的作用。由于去离子水被加压,所以其沸点超过125摄氏度。

揭秘太阳

中国科协全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向记者表示,“帕克”太阳探测器的最大亮点是能“触及太阳”,让人类能够以最近的距离观察太阳。而且它还是首个正式探访恒星的人造物体,可以对太阳进行全方位探测,其所获得的数据也有望“颠覆”人类以往对太阳的认知。

在他看来,对太阳进行全方位的深入观测和探测有两大意义:一是作为宇宙中唯一可以进行高空间分辨表面观测的恒星而具有的天体物理学上的重要性;二是由于人类依存于太阳,所以需要认识太阳的变化及对人类的影响。

太阳为地球提供光和热,是地球生命存在的基础,但是,一些太阳活动也给人类带来了很多麻烦。比如太阳耀斑爆发所产生的大量紫外线、X射线、γ射线和高能带电粒子,能扰乱地球磁场,引起磁暴,破坏电离层,造成短波通信中断,甚至伤害地球上的生物。

因此,人类自古以来就在不断研究太阳,希望能够掌握更多关于太阳的知识。但是,受技术水平限制,人类目前对太阳的了解还远远不够,仍有很多难解之谜。比如“为何日冕层会比太阳表面的温度高数百倍?”、“填满整个太阳系的太阳风是靠什么驱动的?”等等。

George Smoot提出,人类之所以需要进行太空探索,首先是服务地球的需要,其次是从长期角度,人类有开发临近星球的需求,最后是科学探索的需要。

科学家们一直在寻找这些答案,而这些答案在太阳系的其他位置似乎都无法找到。所以人类必须要靠近太阳,在日冕持续发热的情况下进行探测。值得庆幸的是,现在人类已经初步具备了实现这一想法的技术。

此次,“帕克”最近可飞到距离太阳表面约600万千米的位置,这仅为地球到太阳距离的1/25。所以,“帕克”能够让人类清晰地观测到太阳风从亚音速达到超音速的过程,同时,它还将飞过高能太阳粒子的发源地,从而获取日冕、太阳风等方面的“一手”信息。

值得注意的是,“帕克太阳探测器”是以91岁的天体物理学家尤金·帕克(Eugene Parker)命名的,他是一位来自于芝加哥大学的科学家,在1958年首次提出了“太阳风”的存在。

据悉,“帕克”带有4种科学仪器,包括三种原位探测仪器以及一种遥感仪器,并利用原位测量和成像的方式来探测日冕和太阳风等。

庞之浩表示,“帕克”的探测数据将能回答一些长期以来困扰着天文学家的难题,有助于揭示太阳的运行机制,了解太阳与行星、地球的关系。这也将提高人类预测太空天气的能力,了解如何改善那些会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太阳观测卫星甚至在太空工作的航天员对太阳的观测。

圆梦太空

随着人类对太空探索的深入,让很多不可能变成了可能,其中很重要的一个原因,是人类在太空中多了很多“帮手”。

此次“帕克太阳探测器”在使用推力极其强大的Delta 4重型发射器发射升空后,其直飞的目标不是太阳而是金星,这是因为它需要借助金星的引力作用改变速度和轨道。在7年的任务期内,“帕克”将7次借力金星,才能抵达最终的轨道。

其实在浩瀚的宇宙面前,太阳也只不过是沧海一粟。2011年诺贝尔物理学奖获得者Adam Riess表示,人类对宇宙了解的历史得出的结论是,0.05%是行星组成,0.5%是恒星组成,5%是由气组成的,而绝大部分宇宙的组成部分其实都是人类所不了解的。

对此,已在空间探测领域工作30多年的上海交通大学航空航天学院常务副主任吴树范表示,空间科学、太空探索是全人类共同面对的话题,也是宇宙给人类的共同命题。

“卡西尼号飞船从地球出发经过金星、木星到达土星时,回望地球就是一个微不足道的白点。在这个尺度下,地球是茫茫宇宙的一粒尘埃,而地球上的人类就是一家人。所以,当人类要走出地球时,这个命题也是属于全人类的,不分种族、国家和肤色。”吴树范说道。

去年,全世界多个机构的天文学家联合宣布,人类第一次发现非双黑洞并合所产生的引力波。2017年诺贝尔物理学奖获得者Kip Thorne表示,合作对解决引力波这个复杂问题非常重要。据其介绍,目前,用于探测引力波的LIGO项目总共涉及到1000多个科学家,80多个机构和16个国家。

而摆在人类太空探索面前的最大挑战,便是技术突破。吴树范表示,深空探测的挑战会随着空间技术的发展而永远存在。“空间科学的发展牵引出空间技术的挑战,而空间技术的发展又将推动空间科学的进步,这是二者的辩证关系。”

预计在今年10月份,“帕克”将抵达金星轨道,并在11月初进行第一次绕日飞行,科学家们最快可于12月份收到第一批来自“帕克”的太阳探测信息。而在完成24次绕日飞行后,“帕克”将于2025年6月以超过每小时72万千米的高速冲入太阳焚毁。

已经飞离地球的“帕克”,在接下来的七年中会给人类带来什么,值得期待。

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责任编辑:范琪
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