徐霁的博客 | NASA帕克太阳探测器发射成功
徐霁

NASA帕克太阳探测器发射成功

转自 https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=feb217783c4536baa353bea7&lemmaId=&fromLemmaModule=pcBottom

探索日冕和太阳风的帕克号探测器, 这或许是我们这一代人有生之年唯一一颗能够如此近距离探测恒星的一次了。

原计划于北京时间2018年8月11日下午发射的NASA的帕克太阳探测器,由于现场故障导致发射延迟,最终于北京时间今天(8月12日)下午3:31在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射成功,之后顺利完成星箭分离、进入预定轨道

之前我们介绍洞察号的时候曾经提到过,除了今年5月的洞察号火星探测器是在加州范登堡空军基地发射的之外,NASA其他所有的深空探测器都是在卡纳维拉尔角空军基地发射的。

图:搭载帕克号的德尔塔4重型火箭点火。来源:twitter@NASA_LSP

第一个以在世科学家命名的探测器

这颗致力于探索太阳的大气层、磁场和太阳风的帕克太阳号探测器美国天体物理学家尤金·帕克(1927-)的名字命名

这是NASA历史上第一颗以还在世的人的名字命名的探测器[1]。

在帕克之前,大多数人都认为太阳的大气层是静止的。是帕克首先发现并于1958年提出太阳大气层并不是静止的,而是在高速运动中;日冕的超高温会让粒子冲破太阳的引力束缚,形成太阳风,释放向太阳系各个角落[2];而且太阳中发出的这些太阳风和影响彗尾运动的物质是其实同一种。

图:尤金·帕克在1958年发表的几篇重要论文之一。来源[3]

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帕克老爷子运气很好。当时适逢探测器时代的兴起,1959-1962年期间,苏联的月球号系列任务、美国的水手2号等多个探测器都探测到了太阳风的存在并做了相关观测。帕克老爷子的一部分理论很快得到了证实,他本人也因此40岁就当选了美国科学院院士。

图:2017年5月31日,尤金·帕克与帕克太阳号探测器的模型,背后是帕克号的logo——“触摸太阳的探测任务”。来源:Scott Olson/Getty。

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在接下来的几十年里,人类发射了不少太阳探测器,如太阳神号、尤利西斯号、SOHO号,但转眼60年过去了,还有一些重要的问题悬而未决因为这些探测器离太阳还是太远了

例如,为什么日冕的温度比太阳表面要高出上百万摄氏度?太阳风是怎么被加速到超音速的?……

这些问题,都需要一颗更强悍的探测器来解答。

最接近太阳的探测器

这颗探测器将以人类有史以来最接近太阳的距离对太阳进行探测:

在任务的最后三圈,帕克号最接近太阳时距太阳表面将只有约600万公里[4],

这是地球到太阳平均距离(约15000万公里)的1/25,

水星到太阳平均距离(约5800万公里)的1/10。

而在此之前,最接近太阳的探测器是NASA 1976年的太阳神2号探测器,最近时距离太阳4300多万公里。

图:帕克太阳号探测器的预定轨道(红色)。改编自:JH/APL[5]

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为了实现如此近距离地“接触”太阳,帕克号探测器采用了当年项目成立时美国运载能力最强的德尔塔4重型火箭(最近被猎鹰重型火箭打破记录)作为运载火箭。因为直接进入目标轨道所需要的能量过大,比较不现实,所以帕克号只能“曲线救国”,7次飞掠金星,借助金星的“引力弹弓”效应实现降轨操作。

距离太阳如此之近的帕克号,也将成为有史以来速度最快的人造物体,其最高速度将高达200千米/秒,相当于从北京到上海只要5秒。而在此之前的记录保持者,NASA的太阳神2号探测器70千米/秒的最高速度,也将在维持了40余年之后成为历史。

600万公里,这意味着帕克号在近日点附近时最近将到达太阳的日冕对太阳的大气层和太阳风进行直接的观测和采样分析

日冕是太阳最外层的大气层,在太阳本体被完全遮住的全日食阶段,我们可以看到日冕的精细结构,这也是全日食中最壮观的景象之一。

图:日全食阶段显现出来的壮丽的日冕结构。来源:刘博洋摄影,已获授权。

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值得一提的是,这个实现“触摸太阳”的复杂的轨道,是华裔科学家Yanping Guo设计的,而且她不仅是帕克号的轨道设计和导航项目负责人,也是2006年飞向冥王星的新视野号探测器的轨道设计者。2004年,国际天文联合会(IAU)将28513号小行星命名为Guo,以纪念她为人类探索太阳系所做的杰出贡献。

图:Yanping Guo和她的团队所设计的新视野号的轨道。来源:JHAPL/Ed Whitman

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事实上,不管是帕克号、新视野号还是其他很多探测任务,都有无数的女性科学家投入其中,做出了杰出的贡献,下次有机会我们可以专门讲一讲~

地狱之旅:屠龙勇士啊带上你的盾!

炎炎夏日,三四十摄氏度的气温已经让地球上的我们觉得难以忍受了,那帕克号要去往高达一两百万摄氏度的日冕可怎么活啊…

庆幸的是,温度并不等同于热量。实际上,日冕中的粒子分布非常稀疏,探测器实际上并不会碰到那么多高温的粒子。尽管这样,探测器还是需要能够抵御实际高达1400摄氏度的高温才行,为此,屠龙勇士帕克号带上了一块白色的盾牌(热防护系统TPS)。

这块凝聚了NASA黑科技的防热盾,最外层是白色的陶瓷涂层,可以反射绝大部分来自太阳的热,盾牌里面是两层碳-碳复合材料夹着一层11.4厘米厚的碳泡沫,以极轻的重量达到了高度耐热和坚韧的保护效果,让背后的科学仪器们可以在周围1400摄氏度高温的环境里自身却能保持在舒适的室温下

图:(左)帕克号的防热盾反射来自太阳的热的假想图;(右)防热盾的实物图。来源:NASA

图:约翰霍普金斯大学应用物理实验室帕克太阳探测器防热盾项目组的首席工程师贝特西·康登在演示防热盾中碳-碳复合材料和碳泡沫夹层的组合如何耐高温,仅仅十几厘米厚的隔热材料,就可以让另一面的手感觉不到任何热量穿透过来。来源:NASA

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但手持盾牌,就意味着你得时时刻刻让盾牌对准敌人才行,因此帕克号必须足够机敏和灵活。为此,帕克号在被防热盾遮住的阴影区的每个角都安装了“热传感器”,一旦传感器检测到这地方被太阳照到了,那么探测器立刻就能知道大事不好,要赶紧调整姿态来正对太阳。

图:帕克号的热传感器位置(白圈)。来源:NASA

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此外,作为帕克号的生命之源,提供能量的太阳能板必须得到特殊保护。帕克号使用循环流动的水来冷却太阳能电池板,具体地说,是让水从太阳能板背面流过时被加热,然后流进散热器中时冷却,循环往复。

图:帕克号的冷却系统的位置。修改自:JHU/APL

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而且,别忘了前面那张帕克号的轨道图。帕克号是大偏心率轨道,这意味着它并不是总是离太阳很近的。离得近的时候探测,离得远的时候传回数据,既劳逸结合,而且也避免了长期处于恶劣环境之中。

身入虎穴,手持利刃

面对艰险的环境,轻车简从的帕克号只带了四把武器(科学仪器)[6]:

FIELDS电磁力计、WISPR广角相机、SWEAP太阳风粒子探测仪、ISʘIS集成探测仪

图:帕克号的四把“宝剑”。改编自:JHU/APL

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1、FIELDS电磁力计(加州伯克利大学太空科学实验室设计研发)

用于测量太阳大气层中的电磁场

其中四根2米长的天线直接从防热盾的四周延伸开来,可以通过调节模式来分别测量快太阳风和慢太阳风的性质——对,你没看错,这意味着这四根天线将和隔热盾一起完全暴露在最高1400摄氏度的高温下,因此它是用抗高温材料铌合金制成的

另外还有一根磁力计天线(天线上栓了三个拳头大小的磁力计),像尾巴一样拖在帕克号身后,会完全被防热盾保护起来。

2、WISPR广角相机(海军研究实验室太阳和太阳物理分部设计研发)

WISPR相机只有鞋盒大小,用于对日冕和太阳风的大尺度结构直接拍照成像。在如此近的距离,WISPR相机有望拍到更少干扰的日冕结构原本的样子。同时,WISPR相机将成为把大尺度日冕结构和通过其他仪器探测到的具体物理细节联系在一起的桥梁。

WISPR配有两个望远镜成像系统,这部分用的技术和材料完全是常规操作。望远镜棱镜用的BK7玻璃,相机用的CCD传感器,这些都已经通过验证完全能在帕克号所处的极端环境中满足探测需要。

图:WISPR相机的两个望远镜成像系统。来源:NASA

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当然,你一定想到了,既然WISPR相机被防热盾挡在身后了,那还能拍到什么吗?确实,防热盾挡住了绝大部分太阳光,但这恰恰让原本相对不明显的日冕变得清晰起来了,就像是“人造日全食”似的。对此,WISPR项目的项目负责人Russell Howard表示:“天然日全食当然很好,但从数据获取的角度来说我更喜欢我们的WISPR相机,毕竟它可以连续工作,7×24小时无休”。

图:WISPR的两个相机预计可以拍到的视角。来源:NASA

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3、SWEAP太阳风粒子探测仪(史密松天体物理台和加州伯克利大学太空科学实验室联合设计研发)

用于测量和分析太阳风中各种粒子(电子、质子、氦离子等)的数量、速度、密度、温度等性质,让我们更好地了解太阳风和日冕等离子体里有什么

SWEAP探测仪有两个部分,一部分叫SWEAP SPC,用于探测;另一部分叫SWEAP SPAN用于分析。

SPC其实就是一个法拉第杯,是一个用来测量带电粒子入射强度的真空金属杯,内部用蓝宝石来隔离各个组件。为了探测从太阳发出的带电粒子,SPC也必须暴露在防热盾之外的1400摄氏度的高温中

图:SWEAP SPC的位置(红圈),黄圈是下面会讲到的SWEAP SPAN B。改编自:JHU/APL

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SWEAP SPAN在帕克号两侧各安了一个(SPAN A+和B),比SPC有更广的视角,可以探测到更多区域,但更重要的是,SPAN可以直接对探测到的粒子根据质荷比进行分类。

图:SWEAP SPAN A+的位置(黄圈),和SPAN B分列帕克号机身两侧。改编自:JHU/APL

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位于前侧的SWEAP SPC和分立两侧的SWEAP SPAN A和B,几乎相当于是对帕克号所处空间中太阳风粒子的全方位无死角探测了。

4、ISʘIS集成探测仪(普林斯顿大学、约翰霍普金斯应用物理实验室等多个机构共同设计研发)

发音“ee-sis”,中间那个ʘ代表太阳。ISʘIS的使命是探明日冕和太阳风中各种粒子(电子、质子和离子)的生命周期,告诉我们:

这些粒子是从哪里来的?是如何被加速的?如何从太阳运动到星际空间的?

ISʘIS也有两部分:EPI-Lo和EPI-Hi。海胆一样的EPI-Lo的形态比较独特,八边形的穹顶结构里塞了80个硬币大小的取景器,可以说是“浑身都是眼睛”了。EPI-Hi的设计就超级简洁了,就是三个传感器拼在一起。

EPI-Lo和EPI-Hi分工明确,前者负责低能粒子,后者负责高能粒子,两者分工协作可以把来自日冕和太阳风的各种能量粒子都“扫荡”一遍,包括SWEAP太阳风粒子探测仪探测不到的那些粒子。

图:ISʘIS的两部分。来源:NASA

7年炼狱,热血不凉

帕克号的设计寿命只有7年,在这7年里,它会环绕太阳24圈,一点一点靠近太阳。2025年6月14日,帕克号预计将最后一次(第24次)飞掠近日点。

在这之后,等到燃料耗尽,帕克号终究没有办法再保持自己的盾牌朝向太阳。也就是说,终有一天,帕克号的机身将失去盾牌的保护,被灼热的太阳所烧化,和太阳融为一体

或许你会不由地想到希腊神话中因为飞得太近而被太阳烧融了翅膀的伊卡洛斯,或者大刘《全频带阻塞干扰》里的万年风雪号

毕竟追逐太阳,是人类神话和文学作品里永恒的话题之一。

但在那之前,帕克号会为我们,也为帕克老爷子揭开无数关于太阳的秘密。希望帕克老爷子身体健康,不仅成为世界上第一个亲眼看着以自己的名字命名的探测器发射的科学家,也能和我们一起顺利看到这颗探测器展开观测,解开自己发现的谜团的一天。

让我们在“凉爽”的地球上充满期待吧。

2018年8月10日下午(美东时间),帕克老爷子来到发射台等待探测器发射。来源:NASA

毕竟,

这或许是我们这一代人有生之年唯一一颗能够如此近距离探测的恒星了。

毕竟,

你来人间一趟,你要看看太阳。

参考资料

[1] NASA | Eugene Newman Parker

https://www.nasa.gov/content/goddard/eugene-newman-parker

[2] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/parker-solar-probe-and-the-birth-of-the-solar-wind

[3] Parker, E. N. (1958). Dynamics of the interplanetary gas andmagnetic fields. The Astrophysical Journal, 128, 664.

[4] Parker Solar Probe: Humanity’s First Visit to aStar

https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-humanity-s-first-visit-to-a-star

[5] http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Journey-to-the-Sun 

[6] NASA| Parker Solar Probe Instrumentshttps://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-instruments

[7] “你来人间一趟,你要看看太阳”来自海子的诗《夏天的太阳》

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