向太阳飞去！帕克探测器将比以往更接近神秘日冕

在磁场线的推动下，热等离子体射流从一个大约中国领土大小的小黑子中升起。图片来源:大熊太阳天文台&新泽西理工学院

今年五月的一个细雨蒙蒙的日子，工程师贝茜·康登蹲在美国马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)一个用箔纸包裹的复制品旁边进行测试。这是一个碳泡沫隔热罩，比一个大床垫宽一点，但是薄得多。旁边是另一份拷贝:一个已经准备好的备用零件，密封在一个金属桶里，带有一个略带讽刺的警告:“不要暴露在阳光直射下。”

真正的原件已经被运送到佛罗里达州南部的肯尼迪航天中心。8月12日，它被固定在美国宇航局帕克太阳能探测器的一端，并在那里发射。六周后，探测器将到达金星。这颗行星的重力将把帕克探测器推向太阳系的中心。再过六周，帕克将首次穿越日冕——一个由热带带电粒子或等离子体组成的稀薄大气——并将在现在到2024年间飞越日冕20多次。

在这些飞越过程中，隔热罩必须确保帕克探测器电子设备的安全，而其表面温度可能会高达1370℃。热量不是来自日冕内数百万摄氏度的等离子体，因为日冕太薄，无法传递太多能量。它们来自强烈的阳光。然而，康登并不紧张。"我们已经通过了所有的测试。"她的声音在宽敞的探测器装配室里回荡。

靠近太阳

如果一切顺利，隔热罩下的安全帕克探测器将返回冕状等离子体和形成它的复杂磁场网络的记录。这些数据将有助于解开一些基本的谜团。例如，是什么将等离子体加热到太阳表面温度的200倍以上？由等离子流组成的太阳风是如何逃逸到太空的？自从1958年太阳物理学家尤金·帕克用与帕克探测器相同的名字描述太阳风以来，这一物理现象一直是个谜。对它更好的理解将有助于今天的研究人员改进他们对太阳风暴的预测(太阳风暴将撞击地球磁场并可能摧毁卫星和电网)。

帕克的“太阳之旅”将和美国太空计划本身一样雄心勃勃。1958年，苏联“普特尼克”卫星的成功仍然让美国忧心忡忡，于是早期的空间物理学家约翰·辛普森和詹姆斯·范·艾伦——他们曾担任美国国家科学院委员会主席——就“集思广益”了一系列任务。从科学的角度来看，这些任务将使美国在空间研究方面处于领先地位。其中一个想法是向水星轨道发射探测器来探测太阳等离子体。

到21世纪初，美国宇航局和国家科学院都将把太阳能探测器作为他们的首要任务。最终结果——帕克探测器将达到0.04天文单位(天文单位是太阳和地球之间的平均距离)。这个距离相当于水星轨道的1/10，也是目前记录保持者西德和美国宇航局在20世纪70年代中期制造的赫里俄斯探测器的1/7。

当它在椭圆轨道上接近太阳时，帕克将把太阳能电池板藏在隔热板的阴影下，以防止过热。当它远离太阳时，它会展开太阳能电池板来捕捉阳光，而抽水系统会用水来冷却它们。

面向拼图

太阳的可见表面，光球，温度约为5500℃。小学物理课程认为日冕的温度应该下降，因为它离太阳核心的热源更远。但恰恰相反，它们的温度已经飙升至100多万摄氏度。

几十年来，太阳物理学家一直在争论这种额外热量的来源。至少总的来说，他们是一样的。这种能量可以从光球运动开始，或者就在光球下面。天文学家在那里看到了粒子——沸腾的、移动的粒子，有德州“细胞”大小

它们是对流的等离子体气泡，像一个大蒸笼一样沸腾，携带着巨大的动能。科学家还认为磁场正在向外传输能量。即将到来的任务可能有助于分配日冕的热量收支，尽管马萨诸塞州史密森天体物理中心的太阳物理学家凯利·科瑞克很谨慎:“没有望远镜能确定地找到答案。”

帕克的探测器还将探索伊利诺伊州芝加哥大学名誉物理学教授、91岁的帕克留下的谜团:是什么驱使带电粒子以每秒数百公里的速度向外膨胀？在日冕深处，太阳磁场对等离子体有很强的抑制作用。但是在这上面的某个地方，粒子移动的速度足够快，可以逃脱太阳的引力，逃到太阳系。这是“奇迹发生的地方，太阳风加速到如此之大的程度，然后它就起飞了”。探测项目科学家尼古拉·福克斯说，“我们将到达那个地区。”

像日冕一样，太阳风似乎违反了基本的物理原理:当它开始扩散到太阳系时，它应该会冷却并减速。但事实并非如此。某种东西不断地向外推动它——要么是沿着螺旋路径的粒子释放的能量，要么是湍流等离子风的消散。通过记录太阳风穿过等离子体时的小规模物理现象，帕克探测器将精确定位太阳风的起飞位置，并缩小可能激活它的机制。"我们都知道细节中隐藏着魔鬼。"福克斯说。

“改变”任务

耗资15亿美元的帕克探测器并不是唯一一个瞄准太阳的大型太空项目。在夏威夷的毛伊岛，天文学家正在进行丹尼尔·K·井上太阳望远镜的最后工作，这是一个由美国国家科学基金会资助的3.5亿美元的项目。DKIST有一面4米高的镜子，是现有最大的太阳能望远镜的两倍多。当它在2020年6月开始运行时，它将以无与伦比的清晰度放大太阳表面。同年，由欧空局资助的耗资7.8亿欧元的太阳能轨道飞行器也将发射升空。探测器将从比帕克稍远的地方观察高能辐射引起的电晕波动。

“我认为这些都是革命性的任务。”美国宇航局科罗拉多州博尔德空间气象预测中心的首席科学家霍华德·辛格说。辛格和他的同事除了为卫星和电网运营商提供太阳活动预测外，还为宇航员和飞行在两极附近的航空公司提供相关预测，在两极，穿透的高能粒子更容易穿过地球磁场。

接下来，DKIST将详细观察喷射耀斑的磁结构。太阳轨道飞行器将测量太阳远侧的磁场，并测试在它旋转进入视野之前监测强磁场是否能改善未来的预测。帕克探测器将能够通过测量日冕中小耀斑的爆发来改进空间天气模型。

团队成员希望这一次能够幸运地通过CME，这是一个非常罕见和强烈的太阳事件。它发射出密集的粒子群，淹没了地球磁场，削弱了通信技术。

但所有这些工作仍在继续。康登的目标快结束了。隔热罩已经紧紧地固定在帕克探测器上，准备飞入太空。她已经预订了一张8月份发射窗口打开时去佛罗里达的机票，但不是为了工作，而是作为一名游客在为APL游客保留的特别参观区享受它。帕克也会和他的家人一起去。

康登说:“科学家脸上的喜悦正是我们所寻找的。"

现在，这一切都实现了。(晋南编)

中国科学新闻(2018-08-13，第三版国际)

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