迄今最接近太阳的探测器发回首批成果:揭示诡异的太阳磁场

科学
迄今最接近太阳的探测器发回首批成果:揭示诡异的太阳磁场
麻省理工科技评论 2019-12-07

2019-12-07

在飞离地球的一年多时间里,Parker 已经三次近距离接触太阳,在不断靠近太阳的过程中,为了不掉入太阳的炽焰中,Parker 也顺手创下了人造航天器最快的速度纪录。
太阳磁场 太空
在飞离地球的一年多时间里,Parker 已经三次近距离接触太阳,在不断靠近太阳的过程中,为了不掉入太阳的炽焰中,Parker 也顺手创下了人造航天器最快的速度纪录。

2018 年 8 月,具有历史意义的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)由德尔塔4 重型火箭发射升空,随后独自踏上了奔赴太阳的漫漫长路,也就此揭开了人类探索太阳的新征程!

在飞离地球的一年多时间里,Parker 已经三次近距离接触太阳,在不断靠近太阳的过程中,为了不掉入太阳的炽焰中,Parker 也顺手创下了人造航天器最快的速度纪录。

迄今最接近太阳的探测器发回首批成果:揭示诡异的太阳磁场

(来源:NASA)

为了弄清楚,为什么太阳大气层的温度比太阳表面高出数百万摄氏度,究竟是什么驱动了太阳风,Parker 在研究人员的控制下不断贴近太阳。最近时距离仅有 2400 万公里,相当于水星距离太阳距离的一半。

近日,《自然》杂志上发表的 4 篇论文,展示了 Parker 在过去一年多时间里靠近太阳时观察到的结果,虽然第一波数据还远未能解答这些问题,但近距离的观测结果有助于人类进一步了解这颗与地球相伴亿万年的恒星。

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图丨帕克探测器逐渐接近太阳示意图(图片来源:NASA)

作为人类最靠近太阳的一个探测器,Paker 正在踏入一片人类未知的领域,美国海军研究实验室的太阳物理学家、负责该探测器相机的 Russell Howard 说,我们一年前假设的问题会被现在的观测结果推翻。

NASA 太阳物理学部主任 Nicola Fox 在周三进行的一个发布会上表示,这些关于恒星运行的全新信息将帮助我们更好了解太阳是如何对整个太阳系产生影响的。

暴躁的太阳风

太阳风特指由太阳上层大气射出的超高速等离子体(带电粒子)流。在太阳日冕层的高温(一百万摄氏度)下,氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚,射向太阳的外围,形成太阳风。

对地球来说,来自太阳表面的太阳风以超过 500 公里/秒的速度源源不断地向地球袭来,干扰着地球的磁场,破坏地球电离层的结构,造成无线电通信中断,甚至影响地球大气,引起火山爆发和地震。

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图丨太阳风概念示意图

迄今为止,大多数太阳风测量都在地球附近,距离太阳约 1.5 亿公里。当太阳风经过长途跋涉,最终来到地球家门口时,关于太阳风是如何产生的线索已经非常混乱。加州大学伯克利分校物理学家 Stuart Bale 有个形象的比喻,在地球研究太阳风,就像在瀑布的中间研究瀑布一样:水不断从身边流过,混乱且没有结构。但我们想要知道水的源头在哪,到底是冰川融化还是一个湖?

因此,要找到这个线索,我们就要像找到瀑布源头一样,找到太阳风的源头。

此前的研究认为在太阳极小期,从太阳的磁场极地附近吹出的是高速太阳风,从太阳的磁场赤道附近吹出的是低速太阳风。

Paker 传回的数据印证了这一说法,且进一步指出,所谓“慢太阳风”以较低的速度在赤道附近的日冕洞附近出现,速度低于每秒 450 公里;而在太阳极地附近,太阳风速度则超过每秒 450 公里。

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图 | 太阳风吹向地球(图源:Wikipedia)

太阳风最终是如何被加速到 500-900 公里/秒的超高速度?研究指出太阳磁场线反转是加速加速太阳风的原因。太阳风从温度较低的日冕洞出发,沿着太阳磁场线运动,当磁场线偶然出现 180 度反转时,这些太阳风会在数秒至数个小时内呈相反的方向运动,研究认为磁场线在反转的同时会释放大量能量,作用在太阳风上推动其逃离太阳,吹向太阳系的其他地方。

而磁场线如何才能短时间内剧烈反转?目前的研究还不足以解答这个问题,科学家猜测这与太阳表面射出的等离子体运动有关。

诡异的太阳磁场

数据显示,Parker在与太阳近距离接触的过程中,大量的等离子体从太阳抛向太阳系,重重“砸”在探测器上。

但非常奇特的是,这些等离子体并不是平稳向外飞,探测器观测结果显示,等离子体在速度上非常跳跃,常常在短短几分钟内,速度陡然提升到50万公里/小时,这几乎是平时的2倍。

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图 | 太阳磁场弯曲模拟图(来源:NASA)

在此前的预测模型中,等离子体从太阳飞向太空的速度仅为10公里/秒以下,而实际观测数据则远大于此。更快的旋风可能意味着恒星的旋转速度比我们想象的要快得多。这一现象提醒研究人员可能要重新思考太阳和其他恒星的进化方式。

与此同时,等离子体每次速度出现波动都伴随着周围磁场突然逆转。“每次波动发生时,探测器上的指针会一直旋转。”密歇根大学空间科学与工程学教授 Justin c. Kasper 表示,科学家猜测磁场中有一条“S”形的涟漪,就像太阳表面附近的磁场线被某个东西抓住,像鞭子被挥动一样快速变形。

欧洲太空天文中心的天体物理学家 Yannis Zouganelis 认为,磁场变形并不让人意外,但意外的是这种变化频率极高,同时非常剧烈。

究竟是什么造成了这种波动?这还是一个未解之谜,但波动频率非常高这是可以确定的。探测器在11天内就记录下了800次。

飞向太阳的“不死鸟”

肩负着人类历史上最靠近太阳的探测任务,Parker 要在 7 年的时间里 7 次飞掠金星,以借助其引力来实现轨道调整,从而使探测器更接近太阳,在此期间,Parker 将环绕太阳一共飞行 24 圈,也将创下数个航天器纪录。

距离最近:Parker 将会成为距离太阳最近的人造天体,设定的最近距离约为 610 万公里,不仅首次进入太阳的日冕层,而且还打破了太阳神 2 号探测器在 1976 年 4 月 17 日创下的 4343.2 万公里的最近距离记录。

温度最高:由于距离太阳近,且又运行在日冕层,所以 Parker 将会承受奇高无比的温度,探测器面向太阳的一面需要承受高达 1377 摄氏度的高温,但又必须要保证工作仪器始终处在几十度的室温条件下,可想难度之高。

速度最快:为了能够挣脱地球引力的束缚,成为太阳系内的星体,Parker 也将创造人造物体有史以来最快速度的纪录。据估计,其将以 70 万公里的时速绕太阳运行,远超当年太阳神 2 号的 25 万公里/时的速度。打个比方,这就相当于 2022 年冬奥会的两个举办地——北京和张家口之间一秒就走完全程。

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当年的太阳神 2 号探测器已经可以到达距离太阳比较近的地方了,那为什么经过了几十年之后 ,Parker 才将这一纪录向前有所推进呢?归根结底,就在于前沿材料技术的进步使得探测器可以在不明显增重的前提下,能耐受上千度的超高温。

为创造距太阳最近的世界纪录,人们必须找到能抵抗前所未有超高温度的材料。可以说,如果没有热保护系统(TPS),就没有 Parker 。

按计划,Parker 将进入距太阳表面 611 万公里范围内。为了适应这种极热的环境,探测器将携带一个复合热保护罩,罩子将抵抗来自太阳的强光。这一隔热罩在 10 年前还不可能造出。

一颗在地球轨道运行的卫星,到达其表面1平米面积上的阳光能量大约是 1350 瓦。但是 Parker 要抵达的位置比这个要近得多,仅为前者距离的 1/25,换算下来,每平米隔热罩大约要承受 85 万瓦能量。如果算上面积,Parker 需承受约 300 万瓦的能量。

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图 | Parker 太阳探测器热防护罩结构示意图(图源:GREG STANLEY / OFFICE OF COMMUNICATIONS)

探测器的隔热罩也被称为热保护系统,由两个碳增强材料复合层和中间夹约 4.5 英寸(11.43 cm)的碳泡沫构成。隔热罩朝向太阳的一面还涂了一层特殊的白色涂层,以尽量反射来自太阳的能量。这种材料可以抵抗约 1371 摄氏度的高温,保证仪器在约 30℃ 的环境下运转。

与大多数商业碳纤维不同,它们的碳-碳结构没有通过硬化树脂聚合在一起,因为硬化树脂会像热锅里的黄油一样,在太阳附近蒸发。为了制造隔热罩,NASA 用“切碎的碳纤维”填充树脂,然后让树脂硬化,再用 3000 度的烤炉烤它,然后重复这一过程 4 到 5 次。最终获得了缠绕在一起的碳纤维,且不含树脂和别的物质。

仅凭这些碳泡沫的隔热性能,并不足以保证探测器所需要的温度。因为在空间中并没有空气散热,唯一的散热方式是散射光并以光子的形式发出热量。因此,另一个保护措施是必需的:一个白色的保护层用来反射热量和光。

为此,约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室与惠廷工程学院的先进技术实验室合作,组成了一个专攻隔热涂层的超豪华专家阵容,团队研究范围覆盖高温陶瓷、化学和等离子喷涂涂层。

通过进一步的测试,团队最终选择基于氧化铝的白色保护层。但这个保护层会与碳反应而在高温环境中变灰,因此工程师们在中间加了一层钨,钨层比头发丝还要薄,涂在热保护罩和白色防护层中间,以防止两层间相互反应。他们还加了纳米掺杂剂,让防护层更白并阻止氧化铝颗粒的热膨胀。

在 Parker 所处的环境温度下,光滑的涂层会像被石头击中的窗户一样破碎。反倒是均匀的多孔涂层可以承受这一极端环境,当多孔涂层中出现裂缝时,裂缝会在到达孔隙时停止。涂层由几个粗糙的颗粒层组成——每层陶瓷颗粒都有很强的反射光能力,层层配合补漏,可以将大部分光反射出去。

虽然诸多谜题还远未解开,但目前尚属年轻的 Parker 还将在未来的约 5 年时间里继续向太阳发起冲击,刷新人造航天器的速度纪录和距离纪录。

而那些关于太阳的谜题,都将随着 Parker 发回的、珍贵的极近距离太阳探测数据,而得到更多解答的可能。Parker 的任务结束日期是 2025 年 6 月,按照科学家的计划,它将在任务结束之后坠向太阳,被分解成越来越小的碎片,并成为宇宙尘埃的一部分。

NASA 公布 Parker 传回数据:

https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2019/11/12/first-parker-solar-probe-science-data-released-to-public/

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