帕克：解開太陽的千古謎題

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▲帕克太陽探測器

在我們的常識中，距離火堆、爐子這樣的熱源越遠，溫度就會越低。太陽釋放的能量來源于太陽內部的核聚變，從太陽內部到太陽光球，溫度逐漸降低。然而從光球到日冕，隨著距離的增加，溫度非但沒有降低，反而飆升到了數百萬攝氏度。這種反常現象的原因困擾了科學家們半個多世紀。此外，太陽風從日冕附近開始被逐步加速，最終達到超音速狀態，其中發生的物理過程仍沒有搞清。在尤金·帕克教授發現太陽風后的60年中，人們提出了復雜而豐富的理論來解釋太陽風加速和日冕加熱的物理機制，形成了好幾個理論流派，但誰也無法說服誰。

造成這一現象的原因是，人們目前只能使用遙感觀測的方式遙望日冕，通過接收到的可見光、極紫外和射電等波段的信號反推日冕中的性質，其中引入的分析方法和物理模型帶來了分析結果的不確定性。同時，遙測信號給出的是觀察者視線方向上所有點物理過程的疊加效應，并不能準確反映某一點的自身的情況。為了能夠徹底解決太陽風加熱加速機制問題，科學家們提出了一個抵近太陽的觀測任務計劃。在這個任務中，一個探測器將運行在環繞太陽的大橢圓軌道上，逐漸降低自己距離太陽的距離，最終到達日冕加熱和太陽風加速過程真正發生的地方，進行就地探測，獲得關于太陽風起源的最“鮮活”的觀測數據。這個探測器，一開始被命名為“太陽探測器”（Solar Probe），后來又被升級成了“太陽探測器加強版”(Solar Probe Plus)。后來，美國宇航局又決定改掉這個探測器的名字，以太陽風發現者帕克的名字命令了它，即“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe）。

▲帕克教授在帕克太陽探測器的命名儀式上

功能豐富的科學探測儀器

在日冕中，既有兩端都位于太陽表面的環狀磁力線，又有一端位于太陽表面，而另一端向遠處的太空延伸的開放磁力線。由于構成太陽風的等離子體有著“磁場凍結”的效應，不能穿越磁力線流動，且在日冕中磁場能遠大于太陽風的內能，因此穩定的環狀磁力線會將等離子體牢固的“禁錮”在太陽表面，而太陽風只能沿著開放磁力線流向太空之中。總之，在日冕中，磁場結構的形成對太陽風結構的形成至關重要，而日冕加熱和太陽風加速的能量也來自于磁場能量的轉換。要搞清太陽風的秘密，就要對磁場及與磁場演化緊密相關的電場、坡印廷矢量等物理量進行實地探測。在帕克太陽探測器中，這個任務由FIELD儀器完成。這臺儀器由兩個磁通門磁強計、一臺搜索線圈磁強計和五個電壓傳感器構成。從外觀上看，這臺儀器最顯著的特征就是帕克太陽探測器周圍伸出的拉桿天線。

而對于太陽風本身的密度、速度、溫度等性質的就地探測，則由SWEAP儀器完成。我們知道，處于固體、氣體和液體狀態的物質是由分子或原子構成的，帶負電荷的電子被束縛在帶正電荷的離子周圍，向圍繞地球運行的衛星一樣圍圍繞在離子附近運動。然而，如果電子獲得了非常高的能量，就可以掙脫離子的束縛，在物質中自由移動，就形成了“等離子體”。太陽風是一種等離子體，除了被電離的電子外，含量最高的氫離子，也即質子。此外，最早從太陽光譜中發現的元素氦，在太陽風中的含量也比較高。因此，SWEAP儀器能夠探測的粒子即為電子、氫離子和氦離子。

當太陽風暴爆發時，有一些粒子將被加速到非常高的能量狀態，傳播到地球后將對衛星的安全運行和航天員的身體健康產生威脅。在帕克太陽探測器上，ISIS儀器的功能就是探測這些高能粒子在日冕中的產生和加速過程。ISIS由EPI-Hi和EPI-Lo兩臺獨立的裝置構成，分別測量能量相對較高和相對較低的高能電子、質子和重離子，探測的能量范圍從數十千電子伏特到100兆電子伏特。

離得越近，就能越清楚地分辨出物體的細節，這是我們每個人都具備的生活常識。除了三臺局地探測儀器外，帕克太陽探測器還裝備了一臺進行成像遙感觀測的WISPR儀器。這臺儀器能夠在可見光波段對太陽風、激波和其他結構進行成像觀測。局地觀測帶給科學家的是物理量隨時間變化的曲線，而這臺儀器則可以為科學家們提供各種結構的直觀圖像，使他們能夠在宏觀上掌握某種結構的變化。

▲“帕克”進整流罩

帕克太陽探測器裝備的儀器雖然各有側重，但也能互相“幫助”，共同完成某個參數的測量。例如，磁場的強度由FIELD儀器測量，而磁場的方向既可以由FIELD的電場磁場和SWEAP的速度測量共同推出，也可以由SEWAP儀器或ISIS/EPI-Lo儀器的電子投擲角方向數據得到。等離子體密度除了可以由SWEAP儀器直接測量外，還可以由FIELDS儀器測量到的等離子體波動參數或ISIS/EPI-Lo儀器測量到的角分布確定。這些儀器間的功能重疊為帕克太陽探測器科學探測目標的完成提供了冗余備份。萬一某個儀器在工作過程中意外失效，其他儀器的探測可以對失效的功能提供一定的補償。

▲發射帕克太陽探測器的德爾塔IV重型火箭

前所未有的飛行軌道

帕克太陽探測器升空后，將進入一條環繞太陽的大橢圓軌道。一開始，這條軌道的近日點與太陽的距離為35Rs（Rs為太陽半徑，1Rs約為70萬公里），也即0.16AU（AU為天文單位，1AU約為1億5千萬公里），遠日點則在1AU左右。通過金星的借力飛行，帕克太陽探測器將不斷降低自己的軌道高度。在歷經24軌飛行、進行7次金星的借力飛行后，帕克太陽探測器在7年后會最終將自己的軌道高度降低到9個太陽半徑以下，在最后的3軌飛行中實現科學家們對日冕進行抵近探測的目標。進入這條前所未有的軌道需要強大的發射能力。帕克太陽探測器選擇了美國的德爾塔IV型重型火箭作為發射載具。在今年2月獵鷹重型火箭首飛之前，它是現役火箭中運載能力最強的火箭。此外，為了完成較為復雜的入軌操作，發射過程中還將使用STAR-48B上面級。

▲帕克太陽探測器任務的標志

在此前7年靠近太陽的飛行中，探測器也不會閑著，因為太陽風性質隨著半徑的增加而發生的變化本身就是一個非常重要的科學問題。在每一軌的飛行中，探測器的科學探測主要在于太陽的距離小于0.25AU時進行。在距離太陽比較近時，探測器與地球的通信能力有限，只能下傳飛船工作狀態的有限信息，因此獲取的探測數據會暫存在飛船自身的存儲器中。探測器逐漸靠近遠日點，與太陽的距離大于0.25AU時，地面將與探測器恢復較為通暢的通信。控制人員可以利用這段時間收集探測器上存儲的科學數據，對探測器的飛行姿態和飛行軌道進行修正，同時上傳在下一次科學探測中需要自動執行的一些指令。在這段時間里，探測器只會在供電條件允許和其他工作空閑的情況下進行有限的科學探測。

▲帕克太陽探測器進入德爾塔IV型重型火箭第二級中

神奇的保護屏障

帕克太陽探測器在太陽附近工作時，承受的太陽輻射是地球附近的500倍。為了使探測器不被太陽“烤熟”，工程師們利用碳復合材料設計了一個保護罩。在工作過程中，這個厚度僅有11.43厘米的保護罩朝向太陽的一面最高溫度可達1400攝氏度左右，但在它的保護下，探測器的工作環境溫度僅有29攝氏度，比北京的夏天還要涼快。而日冕中的太陽風的溫度雖然高達數百萬度，但由于太陽風的密度極低，不會對探測器的正常工作造成影響。

帕克太陽探測器依靠太陽能電池板為探測器提供電能。按照常理，太陽光照越充足，就能為探測器提供越多的供電。然而，當探測器與太陽的距離太近時，過強的太陽輻射將會損壞太陽能電池板。為了確保安全工作，太陽能電池板采用了可調節的朝向設置。在太陽輻射較強時，太陽能電池板會像鳥兒收起翅膀一樣向后收縮，將更多的部分隱藏在保護罩之后，只露出尖端的一小部分；而當遠離太陽時，電池板則又像鳥兒張開翅膀一樣，從保護罩后面探出以提供充足的供電。在太陽能電池板上，裝備了由鈦合金支撐的水冷系統，能夠及時帶走積聚的熱量。即便在最嚴酷的太陽輻射下，水冷系統也能將太陽能電池板的溫度保持在150度左右。

▲廠房中的帕克太陽探測器

▲貯存了1137202人名字的存儲卡

▲廠房中的帕克太陽探測器

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把名字送上太陽

▲發射前，帕克太陽探測器開展了“把名字送上太陽”的科普活動，參與者可以獲得一張“登機牌”，參與者的姓名將被寫在帕克太陽探測器的存儲器上

為了提高公眾的參與度，提高帕克太陽探測器的影響力，負責探測器研發的美國宇航局和約翰斯·霍普金斯大學在今年3月舉辦了“將名字送上太陽“的活動。活動的參與者只需在線注冊，就可以得到一張去往太陽的“登機牌”。而登記者的名字也會被存入一張存儲卡中，由帕克太陽探測器攜帶升空。在活動中，美國宇航局還特別邀請了電影《星際迷航》中飾演詹姆斯·柯克艦長的威廉·夏特納（William Shatner）做為該活動的代言人，以吸引更多的參與者。在4月27日活動結束時，總共有1137202人參與到了活動中。