史無(wú)前例！NASA探測(cè)器將踏上前往太陽(yáng)系中心的旅程 挑戰(zhàn)日冕層百萬(wàn)度高溫

周六凌晨，一輛汽車(chē)大小的NASA宇宙飛船將踏上前往太陽(yáng)系中心的旅程，在那里它將與炙熱的太陽(yáng)大氣層混合。這個(gè)飛行器是Parker太陽(yáng)能探測(cè)器，預(yù)計(jì)要飛到離太陽(yáng)400萬(wàn)英里以內(nèi)的地方，這比以前任何人造飛行器都要近。從有利的方面來(lái)看，該探測(cè)器有望解決困擾科學(xué)家半個(gè)多世紀(jì)的太陽(yáng)及其大氣層之謎。

NASA長(zhǎng)期以來(lái)一直希望將一架飛行器送入太陽(yáng)的大氣層，但這種任務(wù)直到最近幾十年才被認(rèn)為是不可能完成的。這個(gè)被稱為日冕的區(qū)域充滿了微小的高能粒子，可以達(dá)到300萬(wàn)華氏度以上。任何靠近這一區(qū)域的冒險(xiǎn)飛行器都必須有先進(jìn)的保護(hù)措施才能防止被融化。但由于碳制造和其他關(guān)鍵工程領(lǐng)域的進(jìn)步，NASA已經(jīng)能夠制造出一種具有最先進(jìn)的隔熱罩和其他關(guān)鍵冷卻系統(tǒng)的飛行器。結(jié)果是：該航天器將在太陽(yáng)系中一些最熱的地方保持室溫。

事實(shí)上，太陽(yáng)的日冕層比太陽(yáng)表面要熱300倍，沒(méi)有人知道為什么。Johns Hopkins University太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)的項(xiàng)目科學(xué)家Nicola Fox對(duì)the Verge(一家美國(guó)科技媒體網(wǎng)站)說(shuō)：“為什么會(huì)這樣呢?”因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域非常熱，以至于日冕層實(shí)際上以超音速的速度加速并脫離太陽(yáng)的巨大引力。這些被稱為太陽(yáng)風(fēng)的東西向四面八方噴射出高能量粒子，然后猛烈撞擊周?chē)男行恰?rdquo;

Parker的任務(wù)是調(diào)查分離效應(yīng)的機(jī)理，以及為什么大氣比它的源頭熱得多。NASA的戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的資深研究科學(xué)家Eric Christian告訴the Verge說(shuō):“我們?cè)噲D從地球上研究這些東西，但我們需要研究的所有標(biāo)記以及所有的信息在距離回到地球的9300萬(wàn)英里的路上被毀壞了。我們必須到信息源頭去。”

神秘的日冕

計(jì)劃向太陽(yáng)的日冕發(fā)射探測(cè)器的計(jì)劃可以追溯到1958年，也就是NASA成立之初。在宇航局成立之初，一個(gè)特別委員會(huì)列出了14項(xiàng)NASA應(yīng)該執(zhí)行的任務(wù)，包括訪問(wèn)太陽(yáng)系的所有行星。除了一項(xiàng)任務(wù)外：:在太陽(yáng)附近進(jìn)行探測(cè)，所有14項(xiàng)任務(wù)都以某種形式完成。

正當(dāng)NASA制定長(zhǎng)期目標(biāo)時(shí)，一位名叫Eugene Parker的年輕天體物理學(xué)家發(fā)表了一篇關(guān)于恒星如何釋放能量的新理論。他預(yù)測(cè)，像我們太陽(yáng)這樣的恒星的大氣層會(huì)變得非常熱，以至于它們的大氣層會(huì)不斷地向外流動(dòng)，把圍繞它們的所有行星都包裹在粒子中。Parker想出了一個(gè)術(shù)語(yǔ)“太陽(yáng)風(fēng)”來(lái)描述這種現(xiàn)象?？茖W(xué)界的大多數(shù)人一直對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的存在存有爭(zhēng)議，直到1962年，NASA一艘名為“水手2號(hào)的航天器冒險(xiǎn)進(jìn)入深空，并首次實(shí)際測(cè)量了太陽(yáng)風(fēng)的粒子。

60年后，NASA 終于制造出了它的太陽(yáng)能探測(cè)器，并以這個(gè)人的名字命名?，F(xiàn)在，飛船的設(shè)計(jì)是為了回答Parker的工作提出的問(wèn)題:是什么導(dǎo)致大氣層變得如此熾熱和一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?

由于太陽(yáng)風(fēng)一直在對(duì)我們進(jìn)行“襲擊”，更好地理解這些機(jī)制可能在地球上有實(shí)際的應(yīng)用。“這就像我們是湍急的溪流中的一塊巨石，”Fox說(shuō)，“我們?cè)诤涌谙掠?，但我們正在感受這種快速移動(dòng)的太陽(yáng)風(fēng)的影響。”通常情況下，地球周?chē)拇蟠艌?chǎng)會(huì)保護(hù)我們不受太陽(yáng)風(fēng)的影響，這有點(diǎn)像一把宇宙?zhèn)?。但無(wú)論何時(shí)，只要太陽(yáng)向我們發(fā)射出一大片粒子，地球周?chē)蜁?huì)發(fā)生變化。

大量的太陽(yáng)風(fēng)實(shí)際上可能會(huì)攜帶一塊太陽(yáng)磁場(chǎng)，這與我們地球的磁場(chǎng)相沖突。這可能導(dǎo)致被稱之為太空天氣事件，因此可能會(huì)產(chǎn)生一些重大后果。首先，猛烈的太陽(yáng)風(fēng)可以會(huì)加劇我們星球周?chē)妮椛?，破壞衛(wèi)星。強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)也會(huì)使地球的大氣層變得更加密集，從而加快衛(wèi)星脫離軌道。地面上的電子系統(tǒng)也受到太陽(yáng)風(fēng)的影響。大流量系統(tǒng)通過(guò)大氣層流動(dòng)，它們將流經(jīng)任何導(dǎo)電的物體，例如電網(wǎng)和海底電纜，這些都可能導(dǎo)致斷電。

科學(xué)家們很難預(yù)測(cè)太空天氣，因?yàn)樗麄儗?duì)太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)的影響知之甚少。很多人希望Parker 太陽(yáng)能探測(cè)器能改變這種情況。“對(duì)太空天氣的預(yù)測(cè)比對(duì)陸地天氣的預(yù)測(cè)晚40到50年，”Christian說(shuō)，“我們正在進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究，希望我們也能擁有預(yù)測(cè)太空天氣的能力。”

近距離接觸太陽(yáng)卻不會(huì)有被融化的風(fēng)險(xiǎn)

Parker太陽(yáng)能探測(cè)器將于美國(guó)東部時(shí)間8月11日凌晨3點(diǎn)33分在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射。它將乘坐由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(United Launch Alliance)制造的Delta IV重型火箭升空，該火箭將把探測(cè)器快速送往太陽(yáng)系內(nèi)部。在發(fā)射6周后，Parker將從金星附近飛過(guò)，之后會(huì)稍微改變它的路線。另一個(gè)6周后，它將進(jìn)入日冕層。在7年的時(shí)間里，Parker將圍繞這顆恒星運(yùn)轉(zhuǎn)24圈，并6次從金星附近飛越。這樣的話，隨著時(shí)間的推移，它能更接近太陽(yáng)表面。

隨著Parker周?chē)h(huán)境變熱，該飛行器必須保持低溫。這就是為什么航天器的隔熱層如此重要。它是由一層厚的泡沫核心組成——大約97%的空氣——夾在兩層碳-碳復(fù)合材料之間?？偟膩?lái)說(shuō)，它的重量只有160磅，即使隔熱層上升到2500華氏度，它也可以讓Parker保持在華氏85度，。“在過(guò)去的10到15年里，我們?cè)谔紡?fù)合材料和碳泡沫材料上所做的所有工作，讓我們能夠做到這一點(diǎn)，”Christian說(shuō)，“盡管如此，他們還是花了幾年時(shí)間才開(kāi)發(fā)出隔熱罩，然后才完成了航天器的其他部分。因?yàn)闆](méi)有隔熱罩，我們就完成不了任務(wù)。”

隔熱層并沒(méi)有覆蓋整輛飛行器，只安裝在它的一側(cè)。而且隔熱層必須一直在航天器和太陽(yáng)之間，這樣航天器才能工作。考慮到Parker將以每小時(shí)43萬(wàn)英里的速度飛行，這是一項(xiàng)非常嚴(yán)峻的任務(wù)。為了固定飛行位置，Parker擁有先進(jìn)的位置控制系統(tǒng)，這意味著飛行器必須始終保持在正確的位置飛行。Parker也必須自主工作，因?yàn)閺牡厍虬l(fā)出的無(wú)線電信號(hào)需要大約8分鐘才能到達(dá)飛船。這就是為什么Parker擁有一套傳感器，這樣可以讓航天器知道它是否傾斜得太厲害以及是否需要調(diào)整它的位置。這樣，航天器和它的四套儀器在整個(gè)任務(wù)中都保持在恒定的溫度中。

不僅僅是儀器需要冷卻。Parker的太陽(yáng)能電池板也需要一種方法來(lái)抵御熱量。盡管太陽(yáng)能電池板依賴于太陽(yáng)，但像大多數(shù)電子產(chǎn)品一樣，在高溫下無(wú)法正常工作。Fox說(shuō):“如果你試想下7月份把手機(jī)遺留在汽車(chē)前座會(huì)發(fā)生什么。你回來(lái)的時(shí)候，手機(jī)已經(jīng)關(guān)機(jī)，并且還會(huì)出現(xiàn)其他各種故障。這就是為什么Fox的太陽(yáng)能板的電池里會(huì)不斷地流淌著水柱來(lái)降溫。此外，太陽(yáng)能板安裝在“肩關(guān)節(jié)”上，它可以用來(lái)將太陽(yáng)能板伸向太陽(yáng)，或?qū)⑻?yáng)能板一直塞到航天器的身體里。這樣，當(dāng)Parker接近太陽(yáng)表面時(shí)，太陽(yáng)能板就不會(huì)暴露在高溫中。

所有這些技術(shù)將助力Parker完成它的任務(wù)：直接測(cè)量日冕。飛行器的儀器將測(cè)量這個(gè)區(qū)域內(nèi)粒子的密度、成分、溫度、電荷和速度。Parker還將直接測(cè)量太陽(yáng)的磁場(chǎng)，這被認(rèn)為是為日冕提供動(dòng)力和能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。宇宙飛船還將研究被稱為等離子波的一種大氣層的特征。每當(dāng)粒子在日冕內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，它們就會(huì)像一艘船一樣在海洋表面產(chǎn)生波浪。Fox說(shuō)：“所以不同類(lèi)型的波告訴我們那里發(fā)生了的物理現(xiàn)象，他們看起來(lái)像指紋。”

所有這些細(xì)節(jié)都有助于科學(xué)家更好地理解太陽(yáng)為什么會(huì)有這樣的行為。但執(zhí)行這次任務(wù)的團(tuán)隊(duì)也對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)意外情況感到興奮。

“雖然我們已經(jīng)擁有關(guān)于是什么在加速太陽(yáng)風(fēng)的理論，我們的儀器就是為了證明這個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，”Christian說(shuō)，“但我肯定會(huì)有一些事情完全出乎我們的意料，而這就是做科學(xué)的樂(lè)趣所在。”

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