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“帕克”的危险之旅

作者:南方周末特约撰稿 张淼

2018-08-23 19:38:24 来源:科学

“帕克”逐日艺术想象图。(NASA网站截图/图)

(本文首发于2018年8月23日《南方周末》)

这是人类首次近距离访问一颗炽热的恒星,需要经受上百万度高温的考验。美国科学家通过数十年的不懈努力,终于把中国古代神话里的故事变成了现实。

美国东部时间8月12日凌晨3点31分,美国宇航局(NASA)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。

它将在未来7年内环绕太阳飞行24圈,并在金星引力的帮助下调整轨道逐渐逼近太阳,最终抵达距离太阳表面约610万千米之处,近距离“触摸”太阳。“帕克”将是有史以来最接近太阳的航天器。

纵观“帕克”的飞行路线、工程设计以及科学问题,有诸多超越常识之处,这正是科学的魅力。

用“引力跳板”减速

“帕克”的发射并不顺利。NASA最早预定在7月31日进行发射,之后经过4次推迟,发射时间选定在当地时间8月11日凌晨3点33分。然而,经过因技术问题而推迟20分钟后和两轮倒计时暂停之后,“NO GO”指令再次传来。

来自NASA发射服务项目的米克·沃尔特曼(Mic Woltman)在发射取消后表示:“团队收到氦气压力警报,正对问题进行评估。”所幸,他们在24小时内解决了问题,并决定在当地时间8月12日凌晨发射。

倒计时结束后,位于卡纳维拉尔角空军基地SLC-37B发射位的德尔塔4重型火箭点燃了3台RS-68液氢液氧发动机。这是人类有史以来研制的推力最大的液氢液氧火箭发动机。

经过了43分钟飞行之后,“帕克”探测器成功与火箭分离,迈上“逐日”旅程。

根据NASA官方网站,“帕克”将在旅程开始的第一周里展开高增益天线、磁力仪臂架以及其中一个电场天线。仪器测试将在9月初开始,大约持续四周时间,之后,科学探测才将展开。

从10月初开始的两个月内,按照精妙的轨道设计,“帕克”将完成第一次飞越金星——一种类似手刹转弯的动作,目的是通过金星的引力作用改变探测器的飞行速度和方向。11月初,“帕克”将来到距离太阳1500万英里之处,在这一史上最接近太阳的地方接受日冕的炽热考验。接下来,约7年的飞行时间里,它还6次掠过金星。

看上去这似乎和发射空间探测器采用的普遍策略并无二致。燃料和时间上的经济性始终是空间探测器发射遵循的原则。1918年,俄国工程师、数学家尤里·康德拉图克在一篇题为《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》的文章中提出了“重力助推法”的构想,即在飞行器可以使用行星引力实现加速。

在这一构想的指导下,科学家开始尝试利用行星的引力作为“跳板”,改变探测器的运动速度,从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速,最终缩短星际航行的时间。例如,飞向土星需要6年,飞向天王星需要16年,飞抵海王星需要31年,而假如借助木星引力作用,飞抵上述行星的时间则可以大约缩短一半。“引力跳板”的首批受益者便是于1977年发射的旅行者1号、2号探测器。1982年,NASA的科学家们利用太阳系行星特殊几何排列的机会,先后借助木星、土星、天王星的引力作“跳板”,最后跳到海王星,成为探测太阳系行星最多、探测成果最丰富的行星际探测器。

“帕克”利用金星引力的目的却与此恰好相反——它并不想利用金星引力加速飞向太阳,而是“弯道刹车”。

对此,中国空间科学学会空间探测专业委员会首席科学传播专家庞之浩撰文称:“利用金星引力进行减速‘刹车’,使它最后以一定的速度围绕太阳飞行达到平衡,以防止探测器受太阳巨大引力的影响,一头栽进太阳大气而出不来被损毁。这与在大多数深空探测任务中,一般是利用行星引力作跳板来获取额外的能量(或速度)正好相反。”

“这标志着人类首次访问一颗恒星。”美国宇航局科学任务局副局长托马斯·祖布臣(Thomas Zurbuchen)难掩激动之情,表示:“我们通过几十年的努力,终于把科幻小说里的故事变成了现实。”

抵御上百万度的高温

“帕克”的逐日旅程,很容易让人联想到中国古代“夸父追日”的神话故事。据《山海经》记载:“夸父与日逐走,入日;未至,道渴而死。弃其杖,化为邓林。”故事的结尾也被大多数人猜中,这个追太阳的人因为太热而渴死了。尽管夸父是古代先民虚构的形象,但是,太阳炽热却客观存在。

已经踏上逐日旅程的“帕克”面临和夸父一样的危险,探测器的防热措施,成为NASA工程师关注的首要问题。

日冕是“帕克”的目的地,温度高达上百万度。用百万来计量环境的温度,按照普通人的理解,恐怕什么东西都会直接熔化。据NASA官方报道,科学家为“帕克”研发出一套能扛住1400摄氏度高温的“金钟罩”。

以1400度的“盾”抵御上百万度的“矛”,“帕克”凭什么成为不死的“夸父”?

要理解这个问题,就要从热量和温度的概念说起。温度用来衡量粒子的平均速度,而热量衡量的是总能量。熔化一个物体需要的是一定热量,而非温度。在空间里粒子平均速度快、粒子数量少的情况下,热量便相对低。来自NASA总部的科学家苏珊娜·达令(Susannah Darling)在一篇科普文章中打了一个比方:“把手放进热烤炉和把手放进一壶沸水,会有怎样的差异?与沸水相比,手在烤炉内能够在更长时间内经受住更高温度的考验,因为在沸水中,手会接触更多粒子。”她同时提醒读者,千万不要在家里尝试这个实验。

中国科学院国家天文台太阳活动预报团组首席研究员王华宁介绍,日冕是太阳大气的最外层,它非常稀薄,甚至比地球上的真空还要稀薄。

因此,尽管粒子平均速度快,粒子总数却很稀少,探测器接受的热量便相对较小。这意味着虽然帕克探测器会穿过一个高达百万度的区域,但面朝太阳的隔热罩表面只会被加热到1400摄氏度左右。

当然,1400摄氏度对人类而言,依然是极端高温。火山熔岩的温度在700到1200摄氏度之间。为抵御高温,工程师为“帕克”探测器安装了隔热罩,称为“热防护系统”(Thermal Protection System,简称TPS)。隔热罩直径2.4米,厚115毫米,仅仅几英寸的保护便可以使罩内温度降至科学仪器工作的舒适温度30摄氏度。

美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室承担了这项工作。研究人员巧妙地为TPS设计了“三明治结构”——把碳复合材料夹在两块碳板之间,再用白色陶瓷漆覆盖在表层,尽可能多地反射热量。据介绍,TPS显示出极强的防热性能,能抵御大约1650摄氏度的高温。科学家们期待,它能在实际工作中发挥作用,确保仪器安全。

与此同时,科学家还为“帕克”设计了其他降温技术。例如,让电池板的位置随着与太阳的距离自动作出调整,当探测器靠近太阳时,电池板会缩到隔热罩阴影中。电池板也具有相应的冷却系统,包括防止冷却剂在发射期间冻结及冷却剂循环泵等设施,以确保电池板正常工作。

此外,暴露在TPS顶端外的一项科学仪器“法拉第杯”则采用了熔点高达2349摄氏度的钽-锆-钼合金制作基本结构,由金属钨制作产生磁场的芯片。太阳风电子、阿尔法粒子和质子探测项目(Solar Wind Electrons Alphas and Protons,简称SWEAP)的首席科学家、美国密歇根大学教授贾斯廷·卡斯珀(Justin Kasper)介绍,在测试中,法拉第杯的表现超过预期,暴露在测试环境下的时间越长,它的数据质量越高。“当它直视太阳光时,它会发出红色的光,意味着它开始‘触摸’太阳。”他说。

为什么日冕温度更高?

“帕克”要探寻的科学问题,看起来相当违反常识——为什么日冕温度比太阳表面更高?为什么作为太阳风的粒子离开太阳表面后得到加速?

太阳温度很高,已经是世人皆知的事实。对于太阳物理学家而言,更愿意用“油炸冰淇淋”来形容太阳。他们的意思是,太阳的外层大气比它的表面温度更高。

试想,在地球上爬高山时,越往海拔高的地方穿得越少,这显然难以被理解。

太阳上这一现象的发现,是基于科学家对太阳化学成分的探索。十九世纪三十年代,实证主义哲学创始人孔德预言,人类永远也不可能了解太阳和星星的化学组成。和许多哲学家预言一样,孔德的预言很快就在自然科学的快速发展下破灭了。

1814年,德国物理学家夫琅禾费发明了光谱仪。电子在不同能级之间跃迁会产生释放能量从而在光谱上形成光谱线,而每一条光谱线必然对应一种元素。尽管夫琅禾费及同时期的科学家尚未理解这一原理,但他们陆续在太阳慷慨送至地球的唯一一样东西——阳光中确认了太阳上的化学元素。

氦(Helium),便是在1858年从一次日全食中发现的元素之一,其命名来源于希腊文,原意为“太阳”。

此后,科学家们一直热衷于通过日全食观测获得太阳化学元素的光谱线索。1869年8月8日发生的日全食,成就了一次新元素的“乌龙”发现。当时,位于美国爱荷华州的得梅因天文台和伯灵顿天文台,两位毫无交集的天文学家,曾刚刚从美国海军天文台离开的天文学家威廉·哈克尼斯(William Harkness)和时任美国达特茅斯大学教授的查尔斯·杨(Charles Young),分别观察到太阳光谱中一条诡异的绿色亮线,位于波长530.3纳米处。2003年出版的《天空与海洋融合:美国海军天文台》一书,详细记载了这次发现。

当时,已知的元素没有一个与这条绿色亮线对应。于是,他们兴高采烈地认为发现了新元素,还将其命名为“癚”(亦可译为“冕素”),英文为coronium。

直到七十年后,上世纪三十年代,德国天文学家沃尔特·格罗特里安(Walter Grotrian)和瑞典光谱学家本格特·艾德兰(Bengt Edlen)相继公布了他们的解释。其为铁原子的13次电离时产生,而这只有上百万度的高温才会发生,后来被称为“禁线跃迁”。从此,越来越多的证据表明,太阳大气层从表面到外层,则从6000摄氏度逐渐加温,日冕层已经炽热到上千万摄氏度。

这个现象不仅和常识大相径庭,还严重违反了热力学第二定律。为什么会这样?多年观测数据让科学家们猜测,一定有额外的能量加速粒子的运动,导致了日冕的高温。

NASA的科学家正在组装“帕克”探测器。(NASA网站截图/图)

为什么太阳风会加速?

同样地,“额外的能量”还导致另一个超越常识的现象,即太阳风的加速。1958年,美国物理学家尤金·帕克(Eugene Parker)在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上发表题为《行星际气体和磁场的动力学》的论文,提出新的理论模型,精确预测了日冕克服太阳引力发生膨胀的速度和磁场强度,并首次把日冕膨胀的现象命名为“太阳风”。

他的预测表明,太阳风抵达太阳系行星时的速度远比其在太阳表面的大。日后的观测数据也表明,抵达地球轨道太阳风速度达到每秒400至500公里。帕克没能解释这一现象。

据中国科学院国家天文台太阳活动预报团组首席研究员王华宁介绍,目前,科学界有“波动加热”和“磁重联加热”两种观点。其中,“波动加热”认为,太阳光球附近的物质能量交换过程激发出各类等离子体波动。等离子体波动和粒子相互作用,提升粒子运动的热速度,实现加热。

1994年,由欧空局和NASA共同发射的“太阳和日球层观测者”(Solar and Heliospheric Observatory ,简称SOHO)观测到“波动加热”的证据——包括氧离子在内的重的粒子被加热的温度更高,而诸如质子一类的轻的粒子温度却没那么高。

而另一种观点则将额外的能量诉诸“磁重联”。当磁力线交错时,能量更高的磁力线上的粒子会在释放能量后转移到能量低的磁力线上,这是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程,也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。当日冕中许多地方都发生这种小尺度的重联,就会把磁场的能量转换为等离子体动能,日冕温度得以升高。

2002年,NASA发射的拉马第高能太阳分光镜成像探测器(Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager,简称RHESSI),在某些耀斑中拍到了尖顶区域的精细图像,证实了磁重联就是产生耀斑和日冕物质抛射的原因。

尽管上述两种观点陆续都有诸多观测证据支持,但迄今为止没有定论。

六十年后的今天,91岁的帕克目送以自己名字命名的探测器发射升空,这是NASA首次以还在世的科学家命名探测项目。“帕克”将完成帕克未竟的事业——去解释日冕反常高温和太阳风加速现象的额外能量来自哪里。

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网络编辑: 邵小乔 责任编辑: 朱力远

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