与太阳“亲密接触”

本刊综合

听到“触摸太阳”，大家的第一反应恐怕是：太阳好比一个大火炉，离得太近不会被烤化吗？事实上，人类的确在做一些以前想都不敢想的事。近日，美國国家航空航天局（NASA）向太空发送了一个探测器，与太阳来了一次“亲密接触”。

2018年8月12日，“帕克”太阳探测器在美国卡纳维拉尔角空军基地由Delta-4重型火箭发射升空。

人类的探测器已经飞向太阳系各处，如八大行星、彗星、矮行星、小行星，但从未抵达太阳。尽管之前人类已经发射了多颗太阳探测卫星，但这些卫星更多地是在地球轨道上对太阳进行观测。

“帕克”太阳探测器项目耗资大约15亿美元，将持续到2025年之后。这个探测器本身并不显眼：高度大约为3米，直径大约为1米。它前面顶着一块直径2.3米、厚度仅有11.43厘米的先进碳-碳复合材料隔热罩，所有仪器设备都“躲”在这块隔热罩的后方。这块隔热罩正是“帕克”太阳探测器的关键所在，在它的保护下，仪器舱的温度可保持在30℃以下。

“帕克”太阳探测器拥有自主姿态调整功能，机身四周安装了许多光照传感器。如果某个方向上的传感器感知到自身暴露在阳光下，说明隔热罩的朝向出现了问题，飞船将自动调整，确保始终将隔热罩对准太阳。此外，“帕克”太阳探测器还拥有水冷循环系统，通过冷却水的来回循环对机身进行降温，确保所有设备能在接近室温的环境下正常工作。

“帕克”太阳探测器在7年的任务期间，包含多达7次的金星飞掠，计划围绕太阳运行24圈，每一圈都比上一圈更接近太阳。这样做可以尽可能地减少飞船在特别接近太阳的位置上的停留时间，避免飞船受到剧烈高温和强烈辐射的破坏。

在最接近太阳时，“帕克”太阳探测器距离太阳表面将不到610万千米（约为太阳半径的8.86倍），相比之下，离太阳最近的水星与太阳的平均距离是5 700多万千米。

当前，太阳活动处于低潮期，太阳正接近其11年活动周期内的平静期。但再过几年，情况就会发生变化，届时太阳的活动强度将逐渐上升。而“帕克”太阳探测器预计工作到2025年以后，这种长寿命的特点将有利于探测器完整掌握太阳从平静期转向活跃期的全周期情况。

“帕克”太阳探测器会关注太阳的哪些“小秘密”？其中三个有关太阳的基本问题——太阳风的加速、太阳风暴现象的原理以及日冕层的高温是探索的重点。

悬而未决的理论问题

太阳物理学家最喜欢用油炸冰淇淋比喻太阳大气的物理状态，他们想以此形象地表明，太阳的外层比它的表面温度还要高。

1941年，瑞典光谱学家本格特·艾德兰解释了此前获得的一条日冕辐射谱线，它是在铁原子的13次电离时产生的，这种情况只有在上百万摄氏度的高温下才会发生。从此，越来越多的证据表明，太阳大气层从表面到外层从6 000℃左右逐渐升温，日冕层已经炽热到上千万摄氏度。

这个现象不仅和地球的情况大相径庭，还违反了热力学第二定律。为什么会这样？根据多年来的观测数据，科学家们猜测，一定有额外的能量加速粒子的运动，导致了日冕的高温。

同样，额外的能量还导致另一个现象，即太阳风的加速。1958年，美国物理学家帕克通过理论模型，精确预测了日冕克服太阳引力发生膨胀的速度和磁场强度，并首次把日冕膨胀的现象命名为“太阳风”。他的预测表明，太阳风抵达太阳系行星时的速度远比其在太阳表面的大。之后的观测数据也表明，抵达地球轨道的太阳风速度达到每秒400千米至500千米。但帕克没能解释这一现象。

60年后的今天，“帕克”太阳探测器将完成这一使命——为解释日冕反常高温和太阳风加速现象的额外能量来自哪里提供数据。

波动还是磁重联

科学家对额外能量的观测和猜想从未停止，目前，科学界对粒子加速的原因有“波动加热”和“磁重联加热”两种观点。

“波动加热”观点的支持者认为，太阳光球附近的物质能量交换过程激发出各类等离子体波动。1994年由欧洲航天局和NASA共同发射的SOHO卫星观测到相关证据。质量较重的粒子比如氧离子加热温度更高，而质子没那么高。

“磁重联加热”观点的支持者认为，额外的能量来自磁重联。当日冕中许多地方都发生这种小尺度的重联就可能把磁场的能量转换为等离子体动能，即升高日冕温度。

这两种观点陆续都有实际观测的证据支持，但迄今为止没有定论。“帕克”太阳探测器能够进入日冕外围进行实地探测，有望解开这一谜题。

具有现实意义的太阳风暴

在科学家们看来，“帕克”太阳探测器对太阳风暴原理的探测具有现实意义。自1859年英国天文学家卡林顿首次观测到太阳耀斑起，这种持续时间较短、规模巨大的能量释放现象便受到人们的高度关注。

如今，太阳风暴已被视为灾害性空间天气，世界各国都在对其进行监测、预警和研究。

利用电磁现象开展的人类活动都有可能受到太阳风暴的影响，例如太阳风暴产生的高能粒子可能会损坏卫星载荷的元器件、伤害身处太空的宇航员的身体；太阳风暴形成的强烈电磁辐射可能严重干扰通信和导航系统；太阳风暴触发的强烈磁暴甚至会导致输电系统崩溃。

“帕克”太阳探测器为研究太阳风暴的产生机制提供观测证据，进而形成符合观测事实的理论模型，为预测太阳风暴提供理论依据。

美国的“帕克”太阳探测器和“太阳哨兵”以及欧洲航天局的“太阳轨道器”无论从规模、科技含量、技术难度还是从预期产生的效果来看，堪称太阳探测的“ 三大工程”。

“太阳轨道器 ”明年升空

将于2019年发射的“太阳轨道器”以欧洲航天局为主研制，也是“人类与日共存”国际空间合作计划的最后一个太阳探测器，与美国的“太阳哨兵”计划一起，旨在研究太阳表面及其大气，对发生在太阳系核心的高能过程进行近距离观测。

它携带的原位探测仪器有太阳风等离子体分析器、射电和等离子体波分析器、磁强计、能量粒子探测器、尘埃粒子探测器、中子与γ射线探测器。遥感仪器有可见光成像仪和磁照图仪、极紫外成像仪、可见光日冕仪、X射线分光成像望远镜。

“太阳哨兵”前途未卜

美国还在研制 “太阳哨兵”。其任务是提供关于威胁航天员及航天器电子设备的大剂量太阳辐射的重要数据。它是一组航天器，其中“内日球层哨兵”是在金星与水星轨道内发射4个相同的探测器，就近搜取高能太阳粒子样本；“近地哨兵”是一个绕地轨道航天器，从大型风暴产生处观测太阳大气层；“远端哨兵”是一个观测太阳背地面的航天器。不过，近年来，有关美国“太阳哨兵”的研制进度报道很少，其前途未卜。