人类首次“触碰”太阳!航天器“帕克”如何做到不被高温熔化? |科技能见度

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12月14日,美国国家航空航天局(NASA)科学任务理事会副局长托马斯·祖布钦在2021年美国地球物理联盟秋季会议上宣布,在“帕克”太阳探测器(下称“帕克”)发射3年后,该探测器于今年4月穿过太阳大气的最外层(日冕),成为首个“接触”太阳的航天器。

据NASA称,这一新的里程碑标志着太阳科学的一大飞跃,接触太阳的组成成分,将有助发现太阳及其对太阳系影响的关键信息。

 “帕克”太阳探测器在太阳风中飞过折返的插图。图源美国国家航空航天局官网。

“帕克”太阳探测器在太阳风中飞过折返的插图。图源美国国家航空航天局官网。

人们常将太阳比作火球,“触摸”火球,“帕克”是如何做到的?太阳又有什么值得探索的秘密?“太阳的日冕比其实际表面热得多,这是长期存在的太阳之谜。”中国科学院国家空间科学中心刘勇解释道,“由于‘帕克’表面覆盖一层隔热板,特殊的材料帮助其防高温与辐射。”

安装在帕克太阳能探测器上的隔热板。图源美国国家航空航天局官网。

安装在帕克太阳能探测器上的隔热板。图源美国国家航空航天局官网。

“触摸”太阳的必要防护:

探测器覆盖碳复合材料的隔热板

太阳光球层的温度约为6000摄氏度,但日冕内部的温度可高达百万摄氏度甚至更高。“像是油炸冰激凌一样。”刘勇以此来形容太阳表面和日冕的温度差别。

“帕克”比以往的航天器都更接近太阳,当它运行到近日点后,周围的温度将非常高,探测器是怎样耐受高温而不被熔化呢?

“其实,百万摄氏度的日冕温度,所对应的热量可能没有想象中的高。”刘勇说,“一般来说,温度是指物体的冷热程度,而这些冷热程度是电子、质子等粒子的随机运动速度来决定的。热运动速度越快,温度则越高。”

但温度并不能表现物质分布密度的状况,刘勇指出,在相同的体积空间内,粒子平均运动速度相同,尽管温度值对外表现相同,但所传递出的热量还与粒子密度相关。

“打个比方,太阳周围的大气,如果有一座山那么大的体积,其重量会像乒乓球一样。这足以说明它的密度非常低。”刘勇继续解释道,在这样的情况下,尽管粒子运动速度很快,温度很高,但热量并没有想象中的大。

尽管如此,探测器结构和材料仍需做好防高温和防辐射,来保证航天器的万无一失。“帕克”表面覆盖一层隔热板,起到了重要的隔热作用。“这层隔热板由碳复合材料制成,并且呈多层分布,能够起到反光、隔热的作用,在穿越日冕层时,可以将外界热量有效隔绝开来,保持探测器内部温度的适宜。”刘勇介绍道。此外,暴露在环境中的仪器设备也由特殊材料制成,以抵御高温环境。

类似热防护的应用,多体现在航天领域。刘勇举例介绍,神舟十二号载人飞船返回舱在返回地球过程中,与大气层剧烈摩擦,但舱内的航天员却并不会受到高温影响,这也得益于返回舱使用到的蜂窝状防热材料,具备耐高温、高强度的特点。安装在帕克太阳能探测器上的隔热板。图源美国国家航空航天局官网。

回到起源的地方寻找答案:

新发现“折返”起源于太阳的可见表面

2018年,“帕克”发射升空,开始在太阳附近盘旋。

2021年4月,在“帕克”第八次飞掠太阳期间,该探测器首次越过阿尔文临界表面。这标志着“帕克”终于进入了太阳大气层,接触到了太阳的日冕。

阿尔文临界表面,被认为标志着太阳大气的终结和太阳风的开始,也是区分太阳大气和太阳风的边界。

“太阳风在传播的过程中会演化,例如在地球附近接收的太阳风,是已‘跨越’千山万水来到地球,可以算作是成年的。但想要研究太阳风的起源、为什么太阳风会被加热等问题,最好是贴近其原始状态,即它刚出生的时候。”刘勇形象地比喻道。

在不断靠近太阳的过程中,“帕克”寻找到了什么?

在太阳风中存在一种锯齿形结构的“折返”现象,“帕克”发现折返起源于太阳的可见表面,即光球层。科学家原本以为这种现象很罕见,但随着不断深入太阳大气,“帕克”观测到这是较为常见的。

帕克太阳探测器观察到了折返——太阳风中的移动扰动导致磁场向自身弯曲。图源美国国家航空航天局官网。

帕克太阳探测器观察到了折返——太阳风中的移动扰动导致磁场向自身弯曲。图源美国国家航空航天局官网。

研究人员还了解到,阿尔文临界面的边界不是围绕太阳的光滑圆,相反,它有尖峰和低谷。这有助于科学家将它们与太阳表面的太阳活动相匹配。

此外,据NASA称,了解太阳风的组成部分在哪里、如何出现,以及它们是否与折返有关,可以帮助科学家们解答一个长期存在的太阳之谜:日冕如何被加热到百万摄氏度,并远高于太阳表面。

据报道,“帕克”可能会在2022年初发生下一次飞越,再次穿过日冕。在任务完成之前,它将在七年的时间内21次近距离接近太阳。

人类为什么关心太阳:

太阳活动对地球的影响不可忽视

科学家们试图通过各种方式探究太阳的秘密,但人类究竟为何要关注太阳?

“太阳爆发活动对地球产生影响的事件,发生过多次。”刘勇讲道,1989年,加拿大魁北克省发生停电事件,是太阳经历了一场大规模的风暴,爆发后携带了数量惊人的等离子电荷直冲地球,从而引发了地球磁暴,而磁暴产生的大量电流,使输出线路严重过载,进而发生了断电事件。

一部分闭合的磁力线环回太阳,另一部分为环绕着伸入太空的开放磁力线。图源美国国家航空航天局官网。

一部分闭合的磁力线环回太阳,另一部分为环绕着伸入太空的开放磁力线。图源美国国家航空航天局官网。

“简单来讲,太阳风暴把地球磁场‘晃’了一下,因为磁场移动就会发电,电到达地面的输电线路中,烧坏变压器从而导致停电。”刘勇说,“太阳的爆发活动,会剧烈地扰动空间的环境,严重的可能造成损坏,也有可能影响航天员的安全。这种现象被称为空间天气。”

帕克探测器拍下飞过的日冕流线。图源美国国家航空航天局官网。

帕克探测器拍下飞过的日冕流线。图源美国国家航空航天局官网。

“了解太阳很重要,由于太阳引起的空间天气,如太阳耀斑和日冕物质抛射事件,会影响太空中的电网、卫星、GPS和航天员等。因此,人类需要去了解太阳更多的秘密,也能够加强对地球的保护。”刘勇说。

在太阳探测方面,同样呈现有中国方案和中国贡献。

2021年10月14日,中国成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”,实现中国太阳探测破冰之旅。此外,预计2022年上半年,我国还将择机发射综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S),以观测太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射,并研究三者的关系。

【记者】刘佳荣

【策划】张志超 吕虹

编辑 吕虹
校对 牟元凯
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