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美欧两探测器将近距离揭秘日冕、太阳风和太阳磁场

太空总署(NASA)的帕克太阳探测器将协助人类更好了解太阳的运作,这是自人造卫星诞生以来,天文界长达60年的梦想。为能揭开太阳的神祕面纱,科学家在帕克探测器上设计与装置了四套仪器,以研究太阳磁场、等离子体、高能粒子,以及可对太阳风进行成像的设备。太阳经常以带电粒子与太阳磁场干扰地球,如太阳风虽会生成美丽的极光,但也会产生令地球不安的相互作用。来自太阳的大爆发,可能干扰地球磁场,进而造成通讯中断、卫星停摆、停电等。科学家希望未来能预测这些太阳"风暴"的降临,而帕克有望提供新的有价值资讯。困扰天文学界数十年的疑问包括日冕的高温是如何形成的,以及太阳风是透过何种物理过程才会加速成超音速状态。日冕温度可能高达华氏数百万度,远高于太阳表面的华氏6000度。日冕同时是太阳风加速的地方,因此NASA将帕克送抵日冕与穿越日冕,冀望藉由帕克传回的画面与资讯,协助科学家解开谜团。科学家除解决了隔热问题外,探测器的飞行角度也是由软体控制,它将确保隔热罩后的仪器不会面向热源,维持仪器的安全与冷却。帕克探测器重约635千克,大小如同一辆小汽车。NASA指出,这个探测器"相对较轻",因为接近太阳需要巨大的能量。帕克使用当前世界上推力最大火箭之一"德尔塔4"发射,所用发射能量是前往火星的55倍,比前往位于太阳系边缘的冥王星也多出一倍。上天后,帕克将愈飞愈快,打破人造物体的飞行速度纪录。在最接近太阳时,一小时就能飞70万千公尺。按这种速度,只要一分钟就能从华盛顿飞到北京。不过,要接近太阳,还必须借助行星的引力踩"剎车"减速。这个行星,就是金星。帕克将七次近距离飞掠金星,利用其引力调整轨道并降低速度,从而逐渐靠近太阳。按计画,帕克将于9月底第一次掠过金星,然后于11月首次抵达近日点。NASA说,这时帕克距太阳只有36个太阳半径的距离,约2500万千公尺,其实已成为史上最靠近太阳的航天器。帕克预定工作寿命七年,其间将环绕太阳24圈,最终将飞至距太阳表面约610万千公尺的最近点,只有不到10个太阳半径的距离。这意味着探测器将进入日冕层内。日冕是太阳大气的最外层,在这里,带电粒子被加速到超音速并飞离太阳,形成了可能危害地球的太阳风。此前,最接近太阳的人类探测器是德美两国共同研制的"太阳神2号",它曾于1976年飞至距太阳表面约4300万千公尺的地方,是计画中帕克与太阳表面最近距离的约七倍。

太阳对空间天气有何影响 NASA两项新观测任务将开展深入调查

|· 本文来自“我是科学家”·|

夸父追日;后羿射日;伊卡洛斯用蜡做成翅膀飞向太阳,结果因飞得过高,蜡被太阳融化而跌落水中丧生……这些故事至今仍在人们耳边流传。太阳为地球上的生命提供能量,在人类生命中扮演重要角色,但太阳风和带电粒子也会引发某些太空天气事件,干扰无线电通信、电网等。这些事件为何以及如何发生?对地球产生何种影响?迄今还未被人类完全理解。

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在炎炎夏日里,人们都深切感受到了被太阳支配的恐惧。大家都在尽可能地躲“太阳”,待在空调房里不愿意出来。很难现象,如果我们更加靠近太阳,甚至去“触摸”太阳,将是怎样一种“让人沸腾”的体验……

随着科技不断发展,人类现在终于可以与太阳“亲密接触”。即将于今年夏季发射的美国国家航空航天局“帕克”太阳探测器和将于2020年升空的欧洲空间局太阳轨道器,尽管技术上存在差异,但殊途同归,都将为我们提供有史以来最好的机会,揭示太阳风等活动的复杂性,了解太阳的工作原理以及对太空环境的影响等。

就能从华盛顿飞到北京,太阳对空间天气有何影响。图片来自网络

就在2018年8月11日15:33(北京时间),有一位勇士站了出来,即将去感受太阳的炙烤。它就是一艘飞往太阳的探测器——帕克号。

为何日冕比太阳表面热很多

今日视点

9778818威尼斯官网 2就能从华盛顿飞到北京,太阳对空间天气有何影响。帕克太阳探测器——轻触太阳行动。图片来源:parkersolarprobe

据NASA官网近日消息,这两款探测器都将研究太阳的外部大气层——日冕。日冕的大部分行为都无法预测,科学家对其知之甚少。目前有两大疑问尚待解开:日冕的温度为什么比太阳表面的温度高很多?太阳风为何持续不断地以极高的速度喷涌而出?

本报记者 刘 霞

去吧,帕克号!去拥抱太阳!

帕克号探测器是NASA第一次使用在世的人物命名的探测器。它来源于一位长寿的天体物理学家尤金·帕克(Eugene Parker,1927-)。他提出了超音速太阳风理论,并预测出了帕克螺旋形的太阳磁场,对太阳、太阳风和太阳能量的理论做出了杰出贡献。

9778818威尼斯官网 3天体物理学家尤金·帕克。图片来源:wikipedia

由于太阳引力势能的缘故,它以高速接近太阳时会被“甩远”,因此,想要“触吻”到太阳,它还需要“刹车减速”。为了达成“史上最靠近太阳”的成就,工程师们选用了项目成立时美国运载能力最强的德尔塔4重型火箭(后来被猎鹰重型打破记录)来实现足够的减速。

除了强有力的火箭,帕克号的一生中将进行7次金星飞掠,用引力弹弓的方式降低自己的速度和轨道,而当最靠近太阳的时候,帕克号也将成为有史以来速度最快的人造设备,预计其近日点时最快的速度将高达200km/s,相当于只用一秒钟就可以从上海抵达杭州。

9778818威尼斯官网 4图:帕克号飞向太阳的轨道(红色),蓝色为地球、金星、实行的轨道。来源:NASA

帕克号“就位后”,究竟会离太阳多近呢?我们先来看看之前卫星的表现吧!

在此之前,人类发射过8颗太阳探测器,但绝大多数的聚集在日地拉格朗日点L1附近。这个点比地球到太阳的距离只近150万千米,在这个位置上,探测器只比地球离太阳近了1%。

当前距离太阳最近的一次探测是4600万千米,由上个世纪70年代年发射的“太阳神”号双子星探测器实现的,这个距离比日地距离的三分之一更近一点。

而这一次的帕克号,离太阳表面最近的距离将减小到9778818威尼斯官网,620万千米,是地球距离太阳最近距离的1/21,只有太阳半径的9.86倍,甚至已经进入了太阳的最外层——日冕层的高度了。

日冕层是太阳的最外层,从太阳的色球层向外延伸数百万千米。千万不要以为太阳最外层相对凉爽一些——恰恰相反,太阳其实是一个外焦里嫩的大火球,离太阳中心很近的光球层,温度只有5800℃左右,然而距离太阳中心几百万千米的日冕,温度却可以高达数百万摄氏度

幸运的是,日冕层相对稀薄,这样极端的高温仅仅集中在少数一些日冕层的高能粒子中。这才使得“帕克”号有可能安然无恙的穿梭于日冕层中,避免被烤焦的命运。

9778818威尼斯官网 5图:帕克号“轻触”太阳的假想图。来源:NASA

我们可以看到远处的日冕,甚至可以测量太阳风穿越地球时的情况,但直到最近才拥有可以承受太阳附近热量和辐射的技术,得以与太阳“亲密接触”,近距离研究日冕。

太阳会喷发出大量高能粒子——太阳风,它可以在太空中形成一个动态辐射系统——空间天气。

如此“炙烤”,帕克号会被晒化吗?

想和炽热的太阳“亲密接触”,可不是件容易的事儿。帕克号的“探日之旅”需要面对两个前所未有的巨大挑战:

首先是温度的考验

探测器并不畏惧严寒(已经有多艘探测器在零下200多度的宇宙深空中漂泊),却难以承受酷暑。从能量转换角度来解释,物体可以轻易地把其他能量转换成内能(比如发热取暖),却难以把内能轻易地转换为别的能量。而根据科学家们的事前推算和估计,在近日点的时候,探测器朝向太阳一侧的外表面的温度最高可达1400℃,即便像钢和铜这些金属在这一温度下都会变得和水一样柔弱。

因此,如何散热和隔热,是帕克号面临的头等考验。这也是为什么历史上的金星着陆活动全部都十分短命的一个重要原因——金星的地表平均温度仅仅是达到了462℃,探测器便难以长时间承受,所有最终登陆金星的探测器,都只能在地表苟延残喘十余分钟。而帕克号所需要面对的,则是1400℃的炙烤。

9778818威尼斯官网 6帕克号所需要面对的是1400℃的炙烤。图片来源:pixabay

为了保护帕克号,科学家们在它朝向太阳的一侧使用了厚达11.4cm的碳基复合隔热材料,还使用了加压的高纯净水进行冷却降温——是的,你没有看错,用的是水。工程师们尝试了各式各样的不同液体,最终还是选择了水。

我们在物理课上就学过,水的比热容要远远大于其他液体,而加压的水沸点会更高,因此相对于其他液体,加压的高纯净水可以带走更多的热量。

此外,为防止帕克号被“烤熟”,它并不会长期待在特别接近太阳的位置,而是定期绕到大约在金星轨道的距离的位置。这样的策略使得帕克号既可以“高温作业”,又有机会避暑,可以说非常“人性化”了!

此外,“帕克”号还进行了很多细节上的优化——如使用了两套不同的太阳能帆板进行切换,在距离太阳小于375万千米的空间里,将使用带冷却系统的特制太阳能帆板。这些细节可以避免“帕克”号中的任何一个部位发生“中暑”。

其次是来自太阳的各类辐射

太阳的日冕层无时不刻都在“刮着”带着高辐射的太阳风。帕克号将深入太阳风的发源地探访太阳风的秘密,同时也将经受比之前所有的探测器更高能的辐射考验

地球上的我们,不用担心太阳风的影响和危害——因为有地球磁场的保护,大多数吹向地球的太阳风或者其他高能粒子都被地球磁场带歪了,很难到达地面。

9778818威尼斯官网 7图:一些跑偏的高能粒子,会和高层大气层摩擦,出现奇幻绚烂的极光。来源:NASA

而帕克号却将会直接暴露在日冕层高能的太阳风之中,那里的高能粒子的温度可达几百万摄氏度,其聚集能量之大可想而知。这些辐射将有可能会对探测器的电路造成不可逆转的损坏。

除了这些高能粒子,太阳还会时不时“闹情绪”,产生日珥、太阳耀斑、日冕物质抛射等多种剧烈的能量爆发,这些爆发会在极短时间内释放巨大的能量,产生比平时更剧烈的太阳风。这些太阳能量爆发的强度有时甚至会毁坏地球轨道上的卫星,以及地面的电子设备。

科学家们为此给帕克号使用了耐辐射等级更高的芯片,但它仍将面临巨大的挑战。

9778818威尼斯官网 8图:帕克号探测器的科学仪器。来源:NASA

NASA戈达德太空中心“帕克”太阳探测器任务研究科学家埃里克:克里斯汀说:“这两个探测器使用的技术有所不同,但任务互补:它们将给日冕拍照,并研究太阳两极的情况。”

据美国国家航空航天局官网近日公布的消息,NASA确定了两项观测太阳活动和空间天气的新任务,以促进我们对太阳及其如何影响地球附近空间天气的理解。

帕克的“追风之梦”

你或许会问,为什么帕克号要如此费尽周折深入虎穴“太阳穴”呢?

长期以来,人们只能远远的看着太阳,观察太阳上丰富的活动。但受限于距离过于遥远,类似太阳日冕层的磁场分布,太阳风加速的方式等很多细节都无法获知,因此产生很多困扰了科学家们多年的问题,为了解决这些谜团,就需要这样一艘深入太阳“风口浪尖”的探测器。

帕克号就此挺身而出担此重任,前往曾经难以接近的日冕层,帮助我们揭开更多“太阳未解之谜”。

“帕克”号此行怀抱四个“追风梦”:

1.探索太阳风源头磁场的结构和动力学;

2.跟踪加热日冕和加速太阳风的能量源;

3.探索太阳风高能粒子加速和“起风”的方式;

4.探索太阳附近的等离子体灰尘现象及其对太阳风和高能粒子形成的影响;

这些目标中有一个非常重合的目标,那就是探测太阳风。太阳风起源于“帕克”号将要抵临的日冕层,可谓是追随太阳风的脚步,沿着起风的方向,一路回溯源头,宛如一个探索起风奥秘的“追风少年”。

由于帕克号探测器的通讯技术也比以前的深空探测探测器技高一筹:它的回传速率高达167kb/s,比大部分的深空探测器的回传速率(1.67kb/s左右)快了近100倍!虽然这个速率完全不能和地球上的玩家媲美,但已经可以让我们在能够快速浏览1.4亿千米外发来的照片。已经迫不及待,想要看到它拍下的太阳“近照”了!

“帕克”将以前所未有的距离靠近太阳——距离太阳表面约600万公里。目前,距离太阳最近的探测器纪录由上世纪70年代发射的“太阳神2号”探测器保持,距太阳约4343万公里。

何为空间天气

尾声

太阳无时不刻在影响着人类及我们赖以生存的地球,它不光给我们带来光和热,也可能带来一些潜在的危害(如太阳磁场活动会干扰和破坏我们的通讯设备)。

太阳对我们的影响如此巨大,但我们对它的了解却远远不够。让我们为帕克号饯行!期待它的勇往直前,为我们带回更多太阳的奥秘。(编辑:小柒)

在与太阳“亲密接触”时,“帕克”将用它的4套科学仪器给太阳风拍照,并研究太阳的磁场、等离子体和高能粒子,揭示太阳外层大气的真实结构,帮助我们理解为什么日冕的温度比太阳表面高很多——日冕的温度可以飙升至几百万华氏度;而太阳表面之下,即光球层的温度仅徘徊在1万华氏度左右。

空间天气是一个全新的概念。太阳耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动,给地球磁层、电离层和中高层大气,卫星运行和安全,以及人类健康,带来严重影响和危害,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称为空间天气。

参考文献:

  1. Fox, N. J., Velli, M. C., Bale, S. D., Decker, R., Driesman, A., Howard, R. A., ... & Lockwood, M. K. (2016). The Solar Probe Plus mission: Humanity’s first visit to our star. Space Science Reviews, 204(1-4), 7-48.

而太阳轨道器将在距太阳约4200万公里的范围内活动,处于一个高度倾斜的轨道上。在此轨道上,太阳轨道器将成为首个能直接为太阳两极拍照的探测器。目前,我们对太阳极地的了解也很少。

相对于地面天气而言,空间天气发生在距离地面30公里以上。空间天气涉及的物理参数与大气天气有很大不同。

揭开太阳风的“庐山真面目”

在太阳系内,空间天气主要受太阳风的风速、密度以及太阳等离子体带来的行星际磁场这三方面的影响。空间天气系统可能会对人类的利益和福祉,例如宇航员的安全、无线电通信、GPS信号和地面上的公用电网等,产生深远的影响。我们越了解驱动空间天气及其与地球和月球系统相互作用的因素,就能越多地减轻它的危害。

此外,这两款探测器都将研究太阳风——太阳持续不断喷射出的充满内太阳系的、被磁化的气体,其与整个太阳系的磁场、大气层甚至太阳系内天体的表面相互作用。在地球上,这种相互作用会引发极光,有时会破坏通信系统和电网。

NASA总部科学任务理事会副主任托马斯·楚比兴说:“我们精心挑选了两项任务,不仅因为它们本身可以进行很多高级科学研究,而且因为它们将与其他太阳物理学太空探测器一起,很好地推进NASA的任务,以保护宇航员、太空技术以及地球上的生命。这些任务将做大相关科学,但它们也很特殊,因为它们‘体型很小’,这意味着我们可以将它们一起发射,并以单次发射的价格开展更多研究。”

此前获得的数据让科学家们相信,日冕会给粒子加速,让太阳风达到令人难以置信的速度:当太阳风离开太阳并穿越日冕时,速度加快了两倍。当太阳风到达测量其一举一动的航天器时,它已经旅行了约1.48亿公里,这段时间足以让这些带电气流与其他粒子混杂在一起,导致其某些特征丢失。

PUNCH:主要研究日冕

“帕克”太阳探测器将在太阳风刚形成并离开日冕时捕捉太阳风,将原始观测结果传回地球;而太阳轨道器所处的位置让其可以很好地观察太阳的两极,其提供的信息有助科学家洞悉太阳风的结构和行为在不同纬度的变化情况。这两款探测器协同作战,优势互补,有助科学家进一步揭开太阳风的“庐山真面目”。

“统一日冕和日光层偏光仪”任务,将直接关注太阳的外部大气层——日冕以及它如何产生太阳风。PUNCH由4个手提箱大小的卫星组成,可以对太阳风进行成像和跟踪。

太阳轨道器还将利用其独特的轨道,更好地了解太阳的磁场。

该航天器还将跟踪日冕物质抛射——大规模的太阳物质喷发,其可以驱动地球附近的大型空间天气事件,科学家可以通过这项任务更好地了解它们的演化并开发预测此类爆发的新技术。

太阳最有趣的一些磁场活动集中在两极,研究太阳两极对于理解太阳磁场的性质很有帮助,但因为地球围绕一个几乎与太阳赤道平行的平面运行,我们通常不能很好地看到太阳的两极。

PUNCH能在滤掉太阳强光后对太阳大气层结构进行分析,实时成像,这些观测可为NASA的“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)以及即将于2020年发射、由NASA和欧洲航天局合作的“太阳轨道飞行器”(Solar Orbiter)提供助力。

太阳的磁场活跃且绵延至海王星轨道之外,能到达如此遥远的地方,很大程度上是因为太阳风:随着太阳风向外喷射出来,它会携带太阳磁场,产生一个巨大的“气泡”——日光层。日光层的边界由太阳与星际空间相互作用形成。2012年“旅行者1号”探测器穿过太阳风层顶,人们才知道这些边界可保护内部太阳系免受来自银河系的辐射。

PUNCH项目负责人、西南研究所的克雷格·德弗雷斯特说,这些任务将对太阳如何驱动太空辐射进行深入研究。包括发射成本在内,PUNCH的资金不超过1.65亿美元。

太阳两极周围的强磁场促使太阳不断变化,导致太阳耀斑和日冕物质抛射,但目前尚不清楚太阳磁场究竟如何在其内部产生。太阳轨道器每次将盘旋在太阳大气层的同一区域几天,观测极地周围压力的累积和释放,从而更好地厘清导致太阳磁场产生的物理过程。

TRACERS:主要研究地球磁场与太阳磁场的相互作用

研究人员指出,“帕克”太阳探测器和太阳轨道器将共同完善我们对太阳和日光层的了解。NASA戈达德太空中心“帕克”太阳探测器研究任务科学家亚当:萨博说:“我们试图破译太阳附近发生的事情,显而易见的办法就是去那里。”

另一项“串联重联和尖点电动力学勘测卫星”任务,将作为PUNCH的二级有效载荷发射。NASA科学任务理事会目前非常关注此类二级有效载荷任务,希望借此获得更大的科学回报。

(科技日报北京5月30日电)

TRACERS将观测地球磁场在北极附近如何与太阳磁场发生相互作用。在一种被称为磁重联(磁力线“断开”再“重新连接”)的物理过程,磁力线会发生剧烈变化,将一些粒子以近乎光速的速度抛射出去,这项任务能观测到相关粒子。

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磁重联驱动整个宇宙的能量事件,包括日冕物质抛射和太阳耀斑。它还允许来自太阳风的粒子进入近地空间,从而驱动那里的空间天气。TRACERS将是第一个利用两个航天器探索这一过程、厘清这一过程如何在空间和时间上变化的任务。它还可以为NASA的“磁层多尺度”(Magnetospheric Multiscale)任务提供重要的背景,这一任务将收集详细的高速观测资料。

TRACERS的独特测量将有助于保护宇航员、发展空间技术。该任务由爱荷华大学的卡耐基·科勒忒兹领导,由于相关卫星会以“搭便车”方式与PUNCH任务同时发射,因此除掉发射成本后,这项任务成本预计不超过1.15亿美元。

据悉,这两个任务的发射日期不迟于2022年8月。两个项目都由NASA戈达德太空飞行中心的“探索者项目办公室”管理。“探索者项目”是历史最悠久的NASA连续计划,旨在提供频繁、低成本的太空访问。

(科技日报北京6月24日电)

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