剛剛,人類開始了離太陽最近的一次太空探索

愛範兒 於 13/08/2018 發表 收藏文章

剛剛,美國宇航局 (NASA )耗資 15 億美元打造的帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe),從卡納維拉爾角空軍基地的第 37 號發射台升空

帕克太陽探測器將成為有史以來距離太陽最近的太空探測器,這也會是在太陽系中生活了 300 萬年的人類,與太陽最「親密」的一次接觸。

距離太陽最近太空任務

帕克太陽探測器原定於昨天發射,但發射計劃被臨時取消,調整到了北京時間今天下午 15 點 31分,但無論如何這次任務都將被載入人類探索太空的史冊,就像當年的阿波羅登月。


按照計劃,帕克太陽探測器將進入熾熱的太陽日冕層,直接從太陽的大氣層穿過,最近的時候距離太陽表面只有 610 萬公里,要知道距離太陽最近的行星水星,與太陽的平均距離也有近 5800 萬公里,這也是人造航天器首次抵達恆星大氣層。


▲太陽日冕層區域.

被太陽高温炙烤的水星,白天温度就到達 430 ℃,而在外日冕層温度更是接近 1400 ℃,在這樣的高温下,太空探測器和眾多儀器都無法正常工作,這也是過去人類一直無法靠近太陽的原因。

但這次帕克太陽探測器卻可以抵擋住這樣的高温,關鍵則在於一塊直徑 2.3 米,厚度僅為 11.43 釐米的碳-碳複合材料隔熱罩,表面附有陶瓷塗層,能將大部分太陽光反射回去。

▲ 工作人員正在給探測器安裝隔熱罩.

這個隔熱罩就像一塊防護盾,將高度大約 3 米,直徑大約 1 米的帕克太陽探測器與高温隔絕。隔熱罩內外可謂是冰火兩重天,外側要承受約 1373℃ 的高温,而隔熱罩另一邊的探測器內卻能保持不到 30 ℃ 的温度。


而且由於帕克太陽探測器要繞着太陽飛行,隔熱罩還要不斷調整位置才能確保擋住太陽光,因此探測器機身上配備了多個光照傳感器來實時調整隔熱罩位置。

除了隔熱罩,帕克太陽探測器內部也還有一個水冷循環系統,通過冷卻水循環對機身進行降温,以確保內部設備能正常運行。

這趟逐日之旅,需要 7 年

從發射到抵達太陽日冕層,帕克太陽探測器需要耗費 7 年,期間要進行 7 次飛掠金星,圍繞太陽飛行 24 圈,每飛一圈都會更接近太陽,直至抵達日冕層。


▲帕克太陽探測器預計飛行軌跡.

這其實是利用了航天動力學中的「彈弓效應」,通過行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度,以此來節省燃料、時間和成本。

這樣的場景在科幻電影《星際穿越》就曾出現,電影中飛船因為燃料不足以返航地球,宇航員通過多次飛近了一顆引力巨大的行星,從而獲得了加速度。


▲《星際穿越》劇照

太陽探測器也不是第一個在中採用這一原理飛行的探測器,2011 年 NASA 發射的木星探測器「朱諾」就藉助了木星引力產生的「引力彈弓」進行加速,加速的推力相當於火箭起飛時 70%,能讓探測器達到 114 倍音速。

為什麼要去探測太陽?

為了研發帕克太陽探測器,NASA 先後花費了 15 億美元。因此這趟旅程當然不只是去太陽附近逛逛而已,而是要試圖解開太陽中幾個未解之謎。


首先就是為什麼太陽的大氣層(日冕層)的温度要比更太陽表面還要高不少。

因為太陽的能力主要來自於其核心的核聚變,按照常理距離核心更近的太陽表面應該比距離核心最遠的日冕層更熱才對。

然而事實上卻剛好相反,日冕層的温度最高達 110 萬攝氏度,而太陽表面的温度才 6000 多度。目前科學界對此有多種猜想,但卻沒有一個理論能被主流科學界認可。


另外兩個謎題則與太陽風有關,太陽風一種高速向外擴散的高能帶電粒子流,但至今無法解釋其為什麼能以超過 700 公里/秒的高速擴散,並形成太陽風暴。

為了監測這些奇怪的現象,帕克探測器配備了多項精密儀器,包括能測量日冕中的電場和磁場的 FIELDS、監測太陽風電子、質子和阿爾法粒子速度的 SWEAP、捕捉太陽日冕的可見光圖像的 WISPR,以及負責研究太陽風加速的「太陽綜合科學探測儀」(ISIS)等。


帕克探測器獲得的數據,也有助於科學家進一步研究太陽活動對於地球的影響,但這幾項現象涉及的等離子物理,基本很難通過理論推算以及實驗室來完成,就像加州大學伯克利分校的物理學教授斯 Stuart Bale  説的:

引用把航天器放在熱等離子體(太陽)中是最理想的實驗室。

彩蛋:帕克太陽探測器還將打破這些記錄

除了是最靠近太陽的一次太空任務,帕克太陽探測器還將創造多項新的記錄。

史上速度最快的飛行器

當帕克太陽探測器抵達日冕層附近,將以超過 70 萬公里的時速穿越外日冕層,這將創造人造飛行器最快的飛行速度記錄,是上一位記錄保持者(40 萬公里/小時)的近兩倍。

NASA 第一次以健在人物命名航天器

帕克太陽探測器其實是以 91 歲的太陽天體物理學家尤金·帕克(Eugene N. Parker)命名的,正是他在 1958 年首次提出了太陽風的存在,當時這一理論還沒有被主流科學界接受。


▲帕克在帕克太陽風探測器命名儀式上

尤金·帕克對於太陽風的研究為人類與太陽的接觸奠定了基礎,這次帕克太陽探測器對於太陽的幾項科研任務,也是建立在帕克對於太陽風的研究基礎上,因此 NASA 決定以帕克的名字來為這艘探索太陽未解之謎的探測器命名。

這是 NAS A第一次以健在人物命名航天器,而帕克本人也親臨佛羅里達見證了以他名字命名的太陽探測器的發射。

百萬民眾一起「昇天」

這次跟着帕克探測器一起靠近太陽的,還有 110 多萬普通民眾的名字。

今年年初,NASA 在帕克太陽探測器上放置了一枚記憶卡,並公開邀請民眾在上面在線填寫自己的名字。


最終 1137202 個名字被儲存在這張記憶卡中,將跟着帕克太陽探測器開啟一段歷時 7 年,行程 79 億英里的旅程,最終抵達距離太陽最近的地方,並環繞太陽飛行。


▲一張包含由公眾提交的 1137202個名字的記憶卡

不過帕克探測器是不太可能返回地球了,也不會一直繞着太陽轉,當燃料耗盡,隔熱罩也不能再自動調整,除了隔熱罩之外的部分都會被燃燒殆盡。


但如無意外那塊隔熱罩還會一直圍繞太陽旋轉,十年、一百年、一千年,甚至到人類滅亡,就像加州伯克利大學博士生@Ent_evo 所想象的一個場景

引用也許當智慧生命第二次在地球上誕生的時候,會注意到太陽邊上的一個明亮小物體。也許這將是伊卡洛斯飛得離太陽最近的一次。

題圖及部分配圖來自:NASA


資料來源:愛範兒(ifanr)

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