帕克：解开太阳的千古谜题

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▲帕克太阳探测器

在我们的常识中，距离火堆、炉子这样的热源越远，温度就会越低。太阳释放的能量来源于太阳内部的核聚变，从太阳内部到太阳光球，温度逐渐降低。然而从光球到日冕，随着距离的增加，温度非但没有降低，反而飙升到了数百万摄氏度。这种反常现象的原因困扰了科学家们半个多世纪。此外，太阳风从日冕附近开始被逐步加速，最终达到超音速状态，其中发生的物理过程仍没有搞清。在尤金·帕克教授发现太阳风后的60年中，人们提出了复杂而丰富的理论来解释太阳风加速和日冕加热的物理机制，形成了好几个理论流派，但谁也无法说服谁。

造成这一现象的原因是，人们目前只能使用遥感观测的方式遥望日冕，通过接收到的可见光、极紫外和射电等波段的信号反推日冕中的性质，其中引入的分析方法和物理模型带来了分析结果的不确定性。同时，遥测信号给出的是观察者视线方向上所有点物理过程的叠加效应，并不能准确反映某一点的自身的情况。为了能够彻底解决太阳风加热加速机制问题，科学家们提出了一个抵近太阳的观测任务计划。在这个任务中，一个探测器将运行在环绕太阳的大椭圆轨道上，逐渐降低自己距离太阳的距离，最终到达日冕加热和太阳风加速过程真正发生的地方，进行就地探测，获得关于太阳风起源的最“鲜活”的观测数据。这个探测器，一开始被命名为“太阳探测器”（Solar Probe），后来又被升级成了“太阳探测器加强版”(Solar Probe Plus)。后来，美国宇航局又决定改掉这个探测器的名字，以太阳风发现者帕克的名字命令了它，即“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）。

▲帕克教授在帕克太阳探测器的命名仪式上

功能丰富的科学探测仪器

在日冕中，既有两端都位于太阳表面的环状磁力线，又有一端位于太阳表面，而另一端向远处的太空延伸的开放磁力线。由于构成太阳风的等离子体有着“磁场冻结”的效应，不能穿越磁力线流动，且在日冕中磁场能远大于太阳风的内能，因此稳定的环状磁力线会将等离子体牢固的“禁锢”在太阳表面，而太阳风只能沿着开放磁力线流向太空之中。总之，在日冕中，磁场结构的形成对太阳风结构的形成至关重要，而日冕加热和太阳风加速的能量也来自于磁场能量的转换。要搞清太阳风的秘密，就要对磁场及与磁场演化紧密相关的电场、坡印廷矢量等物理量进行实地探测。在帕克太阳探测器中，这个任务由FIELD仪器完成。这台仪器由两个磁通门磁强计、一台搜索线圈磁强计和五个电压传感器构成。从外观上看，这台仪器最显著的特征就是帕克太阳探测器周围伸出的拉杆天线。

而对于太阳风本身的密度、速度、温度等性质的就地探测，则由SWEAP仪器完成。我们知道，处于固体、气体和液体状态的物质是由分子或原子构成的，带负电荷的电子被束缚在带正电荷的离子周围，向围绕地球运行的卫星一样围围绕在离子附近运动。然而，如果电子获得了非常高的能量，就可以挣脱离子的束缚，在物质中自由移动，就形成了“等离子体”。太阳风是一种等离子体，除了被电离的电子外，含量最高的氢离子，也即质子。此外，最早从太阳光谱中发现的元素氦，在太阳风中的含量也比较高。因此，SWEAP仪器能够探测的粒子即为电子、氢离子和氦离子。

当太阳风暴爆发时，有一些粒子将被加速到非常高的能量状态，传播到地球后将对卫星的安全运行和航天员的身体健康产生威胁。在帕克太阳探测器上，ISIS仪器的功能就是探测这些高能粒子在日冕中的产生和加速过程。ISIS由EPI-Hi和EPI-Lo两台独立的装置构成，分别测量能量相对较高和相对较低的高能电子、质子和重离子，探测的能量范围从数十千电子伏特到100兆电子伏特。

离得越近，就能越清楚地分辨出物体的细节，这是我们每个人都具备的生活常识。除了三台局地探测仪器外，帕克太阳探测器还装备了一台进行成像遥感观测的WISPR仪器。这台仪器能够在可见光波段对太阳风、激波和其他结构进行成像观测。局地观测带给科学家的是物理量随时间变化的曲线，而这台仪器则可以为科学家们提供各种结构的直观图像，使他们能够在宏观上掌握某种结构的变化。

▲“帕克”进整流罩

帕克太阳探测器装备的仪器虽然各有侧重，但也能互相“帮助”，共同完成某个参数的测量。例如，磁场的强度由FIELD仪器测量，而磁场的方向既可以由FIELD的电场磁场和SWEAP的速度测量共同推出，也可以由SEWAP仪器或ISIS/EPI-Lo仪器的电子投掷角方向数据得到。等离子体密度除了可以由SWEAP仪器直接测量外，还可以由FIELDS仪器测量到的等离子体波动参数或ISIS/EPI-Lo仪器测量到的角分布确定。这些仪器间的功能重叠为帕克太阳探测器科学探测目标的完成提供了冗余备份。万一某个仪器在工作过程中意外失效，其他仪器的探测可以对失效的功能提供一定的补偿。

▲发射帕克太阳探测器的德尔塔IV重型火箭

前所未有的飞行轨道

帕克太阳探测器升空后，将进入一条环绕太阳的大椭圆轨道。一开始，这条轨道的近日点与太阳的距离为35Rs（Rs为太阳半径，1Rs约为70万公里），也即0.16AU（AU为天文单位，1AU约为1亿5千万公里），远日点则在1AU左右。通过金星的借力飞行，帕克太阳探测器将不断降低自己的轨道高度。在历经24轨飞行、进行7次金星的借力飞行后，帕克太阳探测器在7年后会最终将自己的轨道高度降低到9个太阳半径以下，在最后的3轨飞行中实现科学家们对日冕进行抵近探测的目标。进入这条前所未有的轨道需要强大的发射能力。帕克太阳探测器选择了美国的德尔塔IV型重型火箭作为发射载具。在今年2月猎鹰重型火箭首飞之前，它是现役火箭中运载能力最强的火箭。此外，为了完成较为复杂的入轨操作，发射过程中还将使用STAR-48B上面级。

▲帕克太阳探测器任务的标志

在此前7年靠近太阳的飞行中，探测器也不会闲着，因为太阳风性质随着半径的增加而发生的变化本身就是一个非常重要的科学问题。在每一轨的飞行中，探测器的科学探测主要在于太阳的距离小于0.25AU时进行。在距离太阳比较近时，探测器与地球的通信能力有限，只能下传飞船工作状态的有限信息，因此获取的探测数据会暂存在飞船自身的存储器中。探测器逐渐靠近远日点，与太阳的距离大于0.25AU时，地面将与探测器恢复较为通畅的通信。控制人员可以利用这段时间收集探测器上存储的科学数据，对探测器的飞行姿态和飞行轨道进行修正，同时上传在下一次科学探测中需要自动执行的一些指令。在这段时间里，探测器只会在供电条件允许和其他工作空闲的情况下进行有限的科学探测。

▲帕克太阳探测器进入德尔塔IV型重型火箭第二级中

神奇的保护屏障

帕克太阳探测器在太阳附近工作时，承受的太阳辐射是地球附近的500倍。为了使探测器不被太阳“烤熟”，工程师们利用碳复合材料设计了一个保护罩。在工作过程中，这个厚度仅有11.43厘米的保护罩朝向太阳的一面最高温度可达1400摄氏度左右，但在它的保护下，探测器的工作环境温度仅有29摄氏度，比北京的夏天还要凉快。而日冕中的太阳风的温度虽然高达数百万度，但由于太阳风的密度极低，不会对探测器的正常工作造成影响。

帕克太阳探测器依靠太阳能电池板为探测器提供电能。按照常理，太阳光照越充足，就能为探测器提供越多的供电。然而，当探测器与太阳的距离太近时，过强的太阳辐射将会损坏太阳能电池板。为了确保安全工作，太阳能电池板采用了可调节的朝向设置。在太阳辐射较强时，太阳能电池板会像鸟儿收起翅膀一样向后收缩，将更多的部分隐藏在保护罩之后，只露出尖端的一小部分；而当远离太阳时，电池板则又像鸟儿张开翅膀一样，从保护罩后面探出以提供充足的供电。在太阳能电池板上，装备了由钛合金支撑的水冷系统，能够及时带走积聚的热量。即便在最严酷的太阳辐射下，水冷系统也能将太阳能电池板的温度保持在150度左右。

▲厂房中的帕克太阳探测器

▲贮存了1137202人名字的存储卡

▲厂房中的帕克太阳探测器

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把名字送上太阳

▲发射前，帕克太阳探测器开展了“把名字送上太阳”的科普活动，参与者可以获得一张“登机牌”，参与者的姓名将被写在帕克太阳探测器的存储器上

为了提高公众的参与度，提高帕克太阳探测器的影响力，负责探测器研发的美国宇航局和约翰斯·霍普金斯大学在今年3月举办了“将名字送上太阳“的活动。活动的参与者只需在线注册，就可以得到一张去往太阳的“登机牌”。而登记者的名字也会被存入一张存储卡中，由帕克太阳探测器携带升空。在活动中，美国宇航局还特别邀请了电影《星际迷航》中饰演詹姆斯·柯克舰长的威廉·夏特纳（William Shatner）做为该活动的代言人，以吸引更多的参与者。在4月27日活动结束时，总共有1137202人参与到了活动中。