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无惧烈火!人类即将前所未有地近距离触碰太阳

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 黄琨 • 2018-08-09 08:56:00 来源:前瞻网 E1326G0
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(图片来源于《科学》)

虽然在国外神话中,太阳一直是威严且不容侵犯的存在,但是这并没有杀死人类对于这个炙热星球的好奇。在贝琪·康登(Betsy Congdon)年轻工程生涯的前10年里,她一直在追求一个奇特的目标:造出一种能在太阳附近飞行的东西。

五月的一个细雨蒙蒙的日子里,在马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)中,康登蜷缩在一件箔纸包裹的东西旁,箔纸下面是她团队的试验材料副本:一个比大号床垫稍宽、很薄的碳泡沫隔热罩。在旁边密封金属桶里,还存放着一份备件,略带讽刺意味的是上面印的警告:“不要暴露在阳光直射下。”

他们真正的试验成果——一艘运载新型探测器的火箭——正运往南边佛罗里达州的肯尼迪航天中心。理想的话,这艘火箭将在8月11日发射,将太阳探测器帕克初步送入太空。按照计划,6周后,帕克将到达金星,并借助它的引力“甩”向太阳系的中心。再过6周,帕克将开始完成其重要任务:在2024年之前,24次穿越由热带电粒子或等离子体组成的太阳大气——日冕。

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(图片来源于《科学》)

在这个过程中,最重要的部件就是摆在康登身旁的隔热罩。在飞越日冕的过程中,受到太阳的近距离炙烤,帕克的表面温度可能高达1370℃,已经达到了多种金属的熔点,隔热板必须保证探测器内脆弱的电子元件的安全。对此,康登并不紧张:“我们已经让它经历了所有的考验。”

如果一切顺利,在这块“盾牌”的荫蔽下,航天器将传回日冕中等离子体数据,已经形成电晕的复杂磁场网络的记录。这些数据将帮助人类解决一些深层次的谜团,例如,是什么将等离子体加热到太阳表面温度的200倍以上?如太阳风这样的等离子粒子流,是如何逃逸到太空的?

自1958年太阳物理学家帕克(Eugene Parker)首次观察到太阳风以来,它的面貌一直是个谜。研究它,不仅仅是为了满足科学人员的求知欲,更具有很大的现实意义。理解了太阳风的形成,科研人员也许就能准确预测到太阳风暴。所谓太阳风暴,就是一场剧烈的太阳风,其瞬间猛烈爆发的能量会撞击地球磁场,严重时甚至会摧毁卫星和电网。

耗资15亿美元的帕克探测器并不是唯一面向太阳的大型科研项目。在夏威夷毛伊岛,天文学家们正在对丹尼尔k井上太阳望远镜(DKIST)进行运作前最后的检查,这是一个由美国国家科学基金会出资,耗费3.5亿美元的项目。它最著名的是那块高达4米的镜面,比现有最大的太阳望远镜高出1倍。预计,当它2020年6月投入运行后,人类能获得太阳表面前所未有的清晰画面。

就在同一年,欧洲太空总署耗子7.8亿欧元建造的太阳能轨道器也将发射。这艘宇宙飞船同样将穿过日冕,轨道比帕克稍远一些。

对于人类开始大规模进军太阳,科学界激动不已。美国太空气象预测中心首席科学家辛格(Howard Singer)表示:“这些任务绝对是革命性的。”辛格的工作和太阳紧密相关,他们不仅要为卫星和电网运营商提供了太阳活动的预测,也为在两极附近飞行的宇航员和航空公司提供了预测。因为在两极地区,高能量的穿透性粒子更容易通过地球磁场。

如果保持目前的时间表不变,DKIST和太阳轨道器应该会在2024年,也就是帕克进入最靠近太阳的轨道之前观测到日冕。这样的时间安排,能让太阳物理学家们在同一时刻将远程观测数据和现场采集数据匹配,以及观察太阳旋转的同时测量日冕变化,从而找到搅动和加热日冕的原因。

今年早些时候,3个项目的代表首次在APL汇聚一堂,讨论如何共同探索日冕的问题。“对于太阳物理学来说,这绝对是一个独一无二的时代,”美国国家太阳天文台主任皮莱(Valentin Martínez Pillet)说,“我们可以进行的综合科学研究,这将会非常棒。”

追根溯源,帕克的“太阳之旅”实际上出自冷战时期那个人类科技大爆发的时代。1958年,苏联的“斯普特尼克”号卫星上天,给了美国人极大震撼。由早期太空物理学家辛普森(John Simpson)和艾伦(James Van Allen)领导的的美国国家科学院(NAS)委员会迅速开始一场头脑风暴,确定了一系列重新夺回科技领先地位任务,登月和探日都是其中重点。

虽然随着严峻政治军事斗争的落幕,科技探索的脚步也逐渐放缓,但是到本世纪初,太阳探测还是成了NASA和NAS的首要任务。帕克探测器的最终目标是,靠近至太阳0.04天文单位(AU)之内 (一个天文单位是太阳和地球之间的平均距离),将之前水星探测器逼近太阳的距离缩小一个数量级,也达到目前纪录保持者的7倍。之前创下纪录的是西德和美国共同研发的赫利俄斯号探测器,它在20世纪70年代中期创下这一纪录。

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(帕克发射前,尚未安装隔热罩和太阳能板,图片来源于《科学》)

即使是0.04 AU,对NASA来说也是一种“委曲”的妥协。在2005年提出设计方案时,他们设想和太阳的最近距离是目前的一半。随后,他们遇到了所有科研项目的“拦路虎”——预算。因为成本问题,NASA放弃昂贵的放射性同位素发生器,用增加穿过日冕次数的方式获得足够的实验数据,空出来的重量,被NASA多放置了几张太阳能板,以及最重要的隔热罩。

在为研发帕克建造的净室中,康登展示了她保留着的,手提箱大小的一块方形黑色隔热罩。它的结构就像一个三明治填满了厚厚的碳泡沫,一层通风的碳分子网,夹在碳-碳薄层之间。NASA航天器的机头和机翼上,都铺上了这种碳泡沫。据报道,这种材料在加热到数千度高温时,会获得高于碳纤维的强度。

康登亲自展示了该材料另一种惊人的特性。手提箱大小的隔热罩部件,她只随手一提,就拿在了手中,可见重量之轻。实际安装的隔热罩会涂上一层白色涂层,尽可能多地反射阳光和热量。不过,康登手上的原件并没有图层,外表是粗糙的碳泡沫,和人手轻轻接触,就像软铅笔的铅笔芯一样被摩擦掉。

在康登团队研发出可靠的隔热罩、实现10年理想的同时,帕克实际上还存在一个问题。在帕克运行到太阳后方,或者太阳自身的无线电辐射过强时,帕克与地球的无线电联系很可能被切断,失去控制的帕克有隔热罩偏移的风险。为此,工程师在过去数年内,煞费苦心地研发了一套精确的自动系统,可以让它“在出现严重损坏之前几分钟内恢复”。

除此之外,还有更多的科研工作需要完成。不过,随着隔热罩被固定在帕克上射向太阳,康登的个人追求已经圆满。她已经预定了8月发射窗口期前往佛罗里达的机票,不是作为科研人员,而是作为一名游客,前往特殊的观光景点参观自己的工作成果。另一位帕克,也就是前文说的太阳风的发现者,也将前往现场,接受贵宾般的礼遇。

“科学家的脸上尽是喜悦——这正是我们所寻求的,”康登说道。

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