离太阳那么近,帕克咋没被“烤化”?

作者:谢顿来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-05

这个距离太阳最近的人造物体,不但没被烤化,还能头脑清醒地开展工作呢。

刚刚过去的10月最后一天,美国宇航局帕克探测器正式成为最接近太阳的人造探测器,但这还不是帕克探测器最接近太阳的位置。这一天之所以成为里程碑,是因为帕克探测器打破了1976年4月,太阳神2号创造的距离太阳表面4273万公里的纪录,而帕克探测器的目标是抵达距离太阳表面大约610万公里的位置,显然它的目标还没有实现。

图1.该探测器以科学家尤金-帕克名字命名。图片来源:NASA官网

该探测器以科学家尤金-帕克名字命名。图片来源:NASA官网

帕克探测器在今年8月才发射升空,按轨道设计,需要到2024年才抵达最靠近太阳的近日点,还有六年的时间要飞行。在今年9月30日,帕克探测器第一次飞掠金星,11月1日,帕克探测器第一次抵达近日点,相当于35个太阳半径的位置。

图5.帕克探测器成为最靠近太阳的人造物体。图片来源:NASA官网

帕克探测器成为最靠近太阳的人造物体。图片来源:NASA官网

按这个速度,好像很快就能够抵达距离太阳最近的点,其实并非如此。帕克探测器的轨道绕行金星和太阳,在金星附近的时候借助金星的引力加速,然后再一次抵达近日点。到2024年之前,需要完成至少7次金星借力飞掠,绕太阳运行24圈,这样才能抵达距离太阳最近的近日点,大约为8.86个太阳半径,即610万公里左右的距离。

任务目的

帕克探测器需要花费数年时间才能抵达距离太阳600多万公里的近日点上,这样的轨道设计是为了对日冕层进行深入研究,同时观测太阳外层大气和收集太阳风粒子数据。1940年代,科学家在对日冕温度进行计算时发现,日冕的温度高达几百万摄氏度,而太阳表面的温度只有5500摄氏度,那么是什么原因导致日冕温度会达到几百万的数量级呢?

图2.日冕物质的高温之谜至今还没有揭开,其温度可达到上百万摄氏度。图片来源:space.com

日冕物质的高温之谜至今还没有揭开,其温度可达到上百万摄氏度。图片来源:space

这还是要从太阳外层大气分层结构上说起。太阳大气结构中,最外层的是色球层,温度大约5500摄氏度。往外则是过渡区,温度可飙升到数十万摄氏度;过渡区再往外就是日冕层,其距离太阳表面最远,温度却是最高的。目前关于日冕物质高温的解释有几种,比如阿尔芬波传递能量、磁重联释放的能量等,也没有一个确切的说法。帕克探测器的任务就是深入日冕层,通过实地探索寻找证据,最终揭开日冕物质的高温之谜。

为此,帕克探测器携带了四大仪器,也仅仅是四个,带太多仪器没有用。因为前往太阳近日点的环境是十分险恶的,弄不好就会造成仪器故障,整个任务前功尽弃。

在四大仪器中排列第一的是SWEAP太阳风电子、阿尔法粒子和质子探测器,负责捕捉太阳风中的各种粒子,这样我们可以知道日冕层中的物质都由哪些粒子构成。

第二个是广域相机,可对日冕和太阳风大尺度结构进行直接成像,建立我们对日冕的物理细节认识。

最后两个是ISIS-EPI综合调查装置和FIELDS电磁力仪,也是用来对太阳风进行测量。有了这四大仪器,就可以基本掌握太阳风和日冕物质的构成,这些数据有望揭开日冕高温之谜。

隔热罩才是核心

正所谓不入虎穴焉得虎子,为了抵达距离太阳足够近的位置上,隔热技术是最关键的。

图3.帕克探测器的隔热装置。图片来源:NASA官网

图3.帕克探测器的隔热装置。图片来源:NASA官网

约翰霍普金斯大学应用物理学实验室设计了一种隔热装置,由两块碳纤维材料夹板构成,厚度为11.5厘米,在飞往太阳的过程中可抵御1400摄氏度的高温,因此我们可以看到探测的前端就一个巨大的隔热板,表面为白色物质,最大限度反射太阳光。

在隔热罩后面的仪器可以保证在不高于30摄氏度的环境中工作。由此看出,隔热罩的作用巨大,没它“罩着”所有的仪器都无法正常工作。

能扛住1400摄氏度的材料其实并非人类的最先进技术,航空发动机的涡轮前温度比这个数值更高,如果要更加靠近太阳也是可以的。但根据任务需要,抵达600多万公里距离上已经足够,可收集到与日冕高温有关的粒子。在帕克探测器的周围,都安装了多个传感器,一旦温度超过阈值,就会触发探测器姿态自动调整,确保所有的仪器都处于隔热盾的保护之下。

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