帕克探測器正在接近太陽!2024年底達到最近,為何不會被熔化?

2024年02月14日22:15:10 科學 1707

太陽與我們朝夕相處,但人們很少去直視它的存在。神話中的夸父曾試圖拚命追趕它,但因為身處地球逃離不了引力作用,只是徒勞的做無用功。

科技發達後,人類知道太陽作為恆星其溫度很高,可以說任何物體與之接近都會化為一縷青煙。

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(帕克和太陽效果圖)

縱然如此,現代的科學家依然像夸父一樣,朝著太陽進發,要近距離一睹太陽的芳容。

古有夸父追日,現有帕克飛日

2018年8月,NASA的太陽探測器「帕克」升空,而後便朝著太陽一刻不停的飛去。帕克的任務,就是儘可能的接近太陽,而後對其展開觀察研究。

人類的技術還未能徹底進入太陽內層,探測器飛抵太陽,距離其表層還有616萬公里。

假設將太陽和地球間的距離按比例縮小到1米範圍,探測器和太陽之間的距離是4厘米。

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所以,聽起來距離太陽還很遙遠,但實際上已經很近。上世紀70年代發射的太陽神探測器,它飛抵太陽最近處的距離是4300萬公里。

由於帕克飛抵太陽更近,勢必就會遭遇更強烈的高溫。為了應對這種情況,科學家在設計時,專門在探測器的表面安裝了隔板,這可以幫助探測器抵禦至少1300℃的高溫。

帕克「奔跑」的速度也很快,每秒能達到190公里,每小時可以達到69萬公里,速度在所有人造飛行器中已是最快的那個了。

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從人類的角度看即便已經很快了,但是從2018年升空到抵近太陽,中間也要走六七年的時間。

2021年底,帕克進入了太陽的日冕層,這也是人類第一個進入太陽大氣層外圈的飛行器。這個區域距離太陽的表面,還有1300萬公里。

通過此前傳輸回來的數據,科學家發現日冕的邊緣並非平滑的球體,它的表面布滿了刺突和谷地。這一區域既有太陽引力在發揮作用,也有磁力遏制的其他太陽物質。

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只不過此處太陽的束縛力已經微弱,所以很多從太陽內部被拋灑出來的物質,都聚集在了日冕的邊緣地帶。帕克探測器此前已飛過了這個臨界點,現在它依然在朝著太陽前進。

在這個飛行過程中,帕克也不斷給太陽拍攝全身照,相比於此前的照片,新的照片都是最接近太陽的。2020年7月時,一系列照片就被公布了。

科學家對這些照片視若珍寶,圖像資料能夠將太陽的大氣層拼接起來,可以幫助科學家深入了解太陽的大氣,以及太陽的大氣是如何對整個太陽系產生影響的。

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這些照片,也讓科學家發現了遍布太陽表面的太陽耀斑。有科學家將這種小型的耀斑戲稱為「篝火」,因為大型的高能耀斑,要比前者高出幾百萬乃至幾十億倍。

科學家還不清楚是什麼原因導致了小型耀斑,但這些耀斑卻遍布太陽表面的各個地方。顯而易見的是,如果不是帕克儘可能的飛抵太陽,科學家也無法了解這麼多的情況和問題。

而這些,僅僅是帕克飛日任務的很小一部分。它正式的任務,還要等到更近距離的接觸太陽後才能展開。

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科學家試圖了解三個問題

帕克飛抵太陽,科學家試圖通過它了解太陽身上的三個謎團。

第一個謎團是,遠距離的溫度為何比近距離的溫度高。人類所掌握的常識是,不管是一堆火還是其他發熱物體,距離它越近溫度也越高,反之溫度會越低。

太陽卻不遵循這個規律。太陽的光球層接近內部,這一區域的溫度在5500℃左右。可如果向太陽的外層區域轉移,來到最外面的日冕區域,這裡的溫度竟然能達到200萬攝氏度。

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距離太陽內部那麼遠,溫度卻比靠近太陽的區域還要高,而且高到近乎離譜,這背後的原因是什麼,目前還是一個未解之謎。有待於帕克抵近太陽後,能幫助科學家尋獲破解謎團的關鍵線索。

第二個謎團,是圍繞太陽風的形成機理展開研究探索的。太陽一直在向外噴射帶磁性的粒子,這些粒子在太空中能高速運行,因此才被稱之為太陽風。

每當太陽風抵達地球表面,與後者磁場發生反應,人類才能在高緯度地區看到漂亮的極光。但如果太陽風過於猛烈,磁性強的粒子會影響衛星乃至地面的一切通訊和電力設施。

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太陽風是如何形成的,磁性粒子為何能擁有高速運行的能力,背後究竟是什麼在推動這一切,科學家也很想知道。

如果真能讓科學家探測到太陽風的機理,未來對太陽風的爆發進行更精準的預測,這樣才能讓地球進行防範,把相關損失降低到最小。但能否做到這樣,還要看帕克下一步傳回來的數據是什麼樣的。最後,帕克還將對太空的天氣現象進行研究。

可要想抵近太陽探索這些謎團,帕克首先得保護好自己才行。

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(太陽風吹過,地球高緯度地區就能形成極光)

隔熱層外側的溫度只有29℃

帕克飛往太陽,在接近這顆火球的時候,並不是朝著它直飛而去,而是繞著太陽轉圈,逐步接近太陽的大氣層。在這個過程中,帕克在太陽的大氣層內外側是反覆進出的。

縱然不是直接朝著太陽飛,但科學家也知道,帕克需要接受高溫挑戰。半個多世紀以來,人類一直想向太陽發射探測器,但苦於隔熱技術不過關,往往在距離太陽很遠的地方,探測器就會在高溫中解體。

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如今帕克能飛日,主要得益於材料科學取得了大的進展。利用全新的材料,探測器整體擁有了隔離高溫的保護層。

造型設計上,帕克結構就像一塊夾心餅乾。面向太陽的那一側,外部安裝了隔熱罩,整體厚度有12厘米,這是一種碳複合材料,兩塊碳纖維面板之間,夾著一層厚度為11.4厘米的碳複合泡沫。

正是憑藉著它的存在,當帕克的一面面向太陽,它可以耐受1371℃的高溫。而在探測器的另一側,溫度只有29℃。

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根據此前的規劃,帕克將在2024年底,最終抵近距離太陽表面616萬公里處。此前,還沒有任何人造物體能夠如此近距離的靠近太陽。

過去夸父追,現在探測器飛,人類窮盡一切智慧接近太陽,並不僅僅是想感受它的「熱情似火」。

人類為什麼要探測太陽

帕克探測器,其名字源自一位太陽物理學家,這位科學家在2022年去世了,而彼時的帕克還正在飛往太陽的路上。

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尤金·帕克,早年通過數學計算證明了太陽風的存在,他對於太陽物理學的研究,起到了奠基性的作用。2018年帕克探測器發射時,帕克本人也親臨了發射現場觀看。

帕克的發現之所以顛覆性的,是因為他的理論改變了科學界對太陽的認知。20世紀早期,科學界認為太陽的大氣是靜態的。

這一理論認為,太陽的大氣一方面因為超高溫,給予它一個向外的膨脹力。同時又因為自身引力的作用,將太陽大氣儘可能向回拉。兩種力量形成了一種微妙平衡,進而使得太陽大氣處於靜止狀態。

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到上世紀50年代,有科學家對上述理論提出了不同的看法。德國的科學家路德維希·比爾曼觀察彗星的尾巴發現,所有彗星的尾巴都是背向太陽的。

比爾曼於是大膽猜測,是太陽風造成了這種原因,它吹動了彗星的尾巴,讓後者的方向與太陽的方向相對。這一理論過於顛覆性,提出後並沒有得到主流科學界的認可。

在芝加哥大學,科學家約翰·辛普森,想讓自己的學生通過論證去證明比爾曼的理論是錯誤的。而這個學生,正是尤金·帕克。

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帕克本來也是認可太陽大氣靜止觀點的,然而經過計算後卻發現,如果按照原來的理論去推算,太陽大氣的壓強將能延伸到無窮遠的地方,這明顯是矛盾和不符合邏輯的。

於是帕克轉而去深入研究比爾曼的假說,並且根據這一理論進一步推斷出,太陽的大氣不是靜止而是處於活躍狀態。

帕克認為太陽在不斷向外拋射粒子,這些粒子在脫離太陽的引力後會加速,在地球附近可以達到每秒幾百公里。最終,帕克將這高速運行的粒子命名為太陽風。

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老師原本是讓他去論證錯誤的,沒想到卻得出了相反的結論,帕克的觀點也遭到了科學界的質疑。直到上世紀60年代,水手二號在飛往金星的過程中,對太陽進行了連續100多天的觀測,而且還監測到了每秒400到700公里的帶電粒子流。

這徹底證實了帕克此前的理論是正確的,他也由此成為太陽風研究的奠基人。時至今日,人類只知道太陽風存在,可對它真正形成的機理依然一無所知。

現在的人類和地球,只能被動接受太陽風的「吹拂」。有時候它是微風徐徐,有時候則是狂風肆虐。

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比如在2022年初,太陽風引發了強烈的地磁暴,馬斯克至少40顆星鏈衛星,還沒有到達預定軌道,就被太陽風給徹底「吹」壞了。

太陽的暴脾氣和難以捉摸,正是科學家想探究太陽的動因。地面觀測不具備優勢,而近距離的探測器,則能縮短觀測距離,這一近距離優勢,可以探測到太陽風的初始性質,可以幫助科學家加深對太陽活動的認知。

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結語

2022年10月,我國的太陽探測衛星「夸父一號」也已升空,它的目標任務也是觀察太陽。

夸父一號的任務,主要研究太陽磁場、耀斑以及日冕物質的拋射形成以及相互作用。和帕克探測器不同的是,夸父一號由於探測目標和任務不同,無需抵近太陽。

衛星可以為太空天氣預報提供支持,可以將太陽風對航天、通訊、導航等空間科技活動的影響降到最低。

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而上述的探測活動,僅僅是拉開了探測太陽的帷幕,未來太陽的很多謎團,還需要科學界進一步去推動研究。


參考資料:

《帕克探測器將首次「觸摸」太陽 試圖釐清三大問題》 科技日報 2018年8月13日
《我國成功發射綜合性太陽探測衛星「夸父一號」》 中國科學院 2022年10月9日

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