飞上太空与太阳肩并肩(飞上天和太阳肩并肩)

大家有多少天没出去晒太阳了?

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2020年1月29日,NASA的探测器,Parker Solar Probe,第四次到达了它的近日点,距离太阳约1940万千米,约合28个太阳半径,再次打破由它自己保持的,人类探测器距离太阳最近的记录(距离2480万千米)。

Parker Solar Probe(简称PSP,如此童年回忆的一个名字),作为目前最接近太阳的人类探测器,正在源源不断地向我们发送有关太阳的各种科学数据,促进人类加深对太阳的理解和认识。从科学的层面来讲,这是人类最先进的探测器之一。恰逢它刚刚美美地晒了几天的太阳,而小编我还在家中闭关,快要发霉。

今天,就来介绍介绍这颗,与太阳肩并肩的探测器。

一、任务目标和历史

本来PSP这枚探测器的名字只是“Solar Probe ”,但在2017年5月,正式更改成了现在的名字。其现在的名字来源于天体物理学家Eugene Newman Parker,他是“太阳风”(Solar Wind)这个词的发明人。PSP是NASA迄今为止,第一个,以还健在的科学家的名字命名的探测器,不得不说这是一种荣誉了

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EugeneNewman Parker(前排)正在观看Parker Solar Probe发射

深空探测这件事情,不仅仅是一件科学的事情,因为耗资巨大,更需要大量的人力、物力,所以,深空探测更是一件需要政治的事情。

1958年,NASA就计划一个探测太阳的计划。计划发射一个轨道器(Solar Orbiter),深入到水星的轨道之内,在太阳的近旁,研究太阳的粒子、场的特性。当然,当时的美国人,航天事业也是刚刚起步,这一计划主要是一种设想规划,并没有实际能力去实现。

到了1970年代和80年代,后续的研究更加证明了研究太阳的重要性,人们发现,太阳风对整个太阳系的演化、对地球环境的影响意义重大。

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壮丽的太阳日冕物质抛射(CME)。艺术想象图。

过去,由于人类一直生活在地球磁场的庇护之下,几乎没有对太阳风的认识。直到1959年苏联的Luna-1号探测器离开地球,进入环绕太阳的轨道,人类才第一次观测到太阳风。如此重要,却又如此陌生,了解太阳变得极为重要——然而,太阳轨道器的计划一直由于过高的资金需求而被不断搁置。

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人类第一颗飞出地-月系的探测器,前苏联Luna-1(又名Мечта,梦想)的复制品

1990年代,太阳轨道器任务被重新评估,改成了成本更低的太阳探针(Solar Probe)任务,作为外行星/太阳探针计划(OPSP)的一部分。结果这个计划在2003年,被乔治布什的联邦预算要求整个取消了。人类文明的广度,又一次不得不屈服于钞票的厚度。

到2010年代初,太阳探针计划被重新纳入了一个更低成本的“太阳探针 ”计划中(Solar Probe ),终于得以实施。预算成本一降再降,就算这样,到了发射的时候,整个Parker Solar Probe的造价也达到了15亿美元。

2018年8月12日,UTC时间07:31,Parker Solar Probe终于搭乘德尔塔4号重型运输火箭,呼啸升空。

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Parker Solar Probe发射升空

二、探测器的构造

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Parker Solar Probe的艺术想象图

作为一个要跟太阳肩并肩的探测器,PSP最显眼的特征,就是脸上顶的那个大罩子。上面这张艺术想象图中,对着太阳的那部分就是。

这个大罩子主要由“强化碳-碳”材料制作,可以耐受1370摄氏度以上的高温。如果PSP能够最终到达设计的最低近日点——690万公里,它已经部分进入日冕外层了,其所在位置的太阳辐射功率将达到约650kW/m2。要知道,家里的微波炉功率一般才1kW,这相当于在1平米之内摆了650个微波炉对着探测器BBQ,这谁顶得住?

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PSP的所有重要部件和科学载荷,都要躲在这个大罩子的阴影之下“乘凉”,否则,整个探测器将在十几秒之内完全烧毁。考虑到就算是电磁波,从探测器那里传到地球也需要大概八分钟,探测器不能依靠地面指令,必须智能地自己调节自己的姿态,始终用罩子正面对着太阳。探测器上安装了4个光传感器,实时感应阳光的方向,实时自动调整姿态——这也使得PSP被称为是迄今最智能的探测器。

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Parker Solar Probe的热防护罩正在接受热试验

探测器携带有两组太阳能电池板。主太阳能电池板只在距离太阳0.25个天文单位之外才会打开,距离太阳很近的时候会收回,防止烧毁。而副太阳板负责在距离太阳很近的时候供电——这副电池板是靠液冷系统冷却的。

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左:Parker Solar Probe在近日点看到的太阳 VS 右:地球附近看到的太阳

除此之外,从艺术想象图中我们可以看到,探测器后面还伸出一条长长的尾巴——这是探测器的伸杆,伸杆上安装着磁强计等需要洁净电磁环境,远离探测器主体的科学载荷。接下来,我们就大概看一看PSP的科学载荷。

三、有效荷载

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PSP的主要有效载荷

研究太阳风,最重要的是什么呢?某种意义上来说,最重要的是磁场。

太阳风是看不见摸不着的粒子流,但是我们却可以通过观察磁场的变化,来观察太阳风的流动。在理想的情况下,太阳风粒子,是完全“冻结”在假想出的“磁力线”上的,太阳风将会和磁场同步运动,一起传播,因此测量磁场,就是在测量太阳风。当然,现实的情景远比这复杂,也就需要更全面的测量。PSP携带了FIELDS科学组件,用于完成对场的综合测量。

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图注:PSP的FIELDS科学测量组件包括热罩附近伸出的四支电场测量天线、伸杆接近末端的1支电场测量天线electric antenna,原位测量探测器所在处的电场梯度),伸杆中部的两枚磁通门磁强计(MAGi,MAGo,测量矢量磁场绝对强度)和伸杆顶端的探测线圈磁强计(SCM,测量磁场的波动)以及电子学单元(图中没有体现,负责综合控制)

第二,IS☉IS组件,用于研究太阳风能量电子、质子和重离子,包括EPI-Hi和EPI-Lo,分别测量高能量段和低能量段的电子、质子和重离子。

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图注:IS☉IS组件的设计图

第三,WISPR组件,一套宽视场相机,共两个,一个向内拍(太阳方向),一个向外拍。相机并不直接拍太阳,而是拍摄略微偏离太阳,从13°到108°的视场,用于观察日冕物质的形态,来研究电子的密度和速度信息。

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图注:WISPR组件

第四,SWEAP组件,一套粒子收集装置,用于收集并分析电子、质子、氦离子的速度、密度、温度。

这四套综合测量系统,共同搭建了PSP观测太阳的科学平台。当探测器接近太阳的时候,这些科学设备,不惧高温,记录下太阳的喜怒哀乐一颦一笑,将第一手的资料发送给人类。

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图注:科学家和工程师们在调试伸杆,可以看到探测器整体并不大

四、轨道

前面说了,发射一颗太阳探测器,是非常昂贵的,昂贵一方面体现在抗高温的设计上,另一方面也体现在探测器轨道的设计上。

要将探测器从地球上发射升空,离开地月系,最终以一个很低的轨道环绕太阳,是非常消耗动能的,这从最简单的机械能守恒就能知道。

PSP探测器本身,仅有685kg,但是发射用的火箭,Delta IV Heavy,重达733吨,本来能将28.79吨的载荷送入低地球轨道。火箭将探测器送入一个环绕太阳的高椭圆轨道,随后,PSP借助与金星的引力弹弓,多次减速,最终将在2024年末,达到预定的,近日点690万千米。

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PSP的轨迹。品红色的是PSP,深蓝色是地球,浅蓝色是金星,绿色是水星,中央的黄点是太阳。

从2018年10月3日,到2024年11月6日,PSP将总共经历7次金星的引力弹弓,每次都将稍许降低近日点的高度,并提升近日点的速度。2024年之后,其近日点的速度将会达到200km/s,大约为光速的0.07%,它也将成为人类迄今飞得最快的飞行器。

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图注:PSP与太阳的距离、速度以及近日点、飞掠金星的时间点。

PSP在远离太阳的时候,会打开主太阳能板,并恢复与地球的通信,传输科学数据。而在接近太阳的时候,会收起太阳能板和高增益天线,进入自动模式,中断通信,保护天线,全力测量数据并保存下来,留待日后发送。此外,当从地球看来,PSP和太阳的夹角过近时,PSP的信号会淹没在太阳发射的狂暴的电磁波之中,也不会传输数据。

五、发现了什么?

目前来说,PSP获得的数据量超出了预期,并且也获得了一些初步的成果。2019年12月4日,一口气发表了四篇Nature,包括:

Verscharen, Daniel(December 4, 2019). "A step closer to the Sun's secrets". Nature. 576(7786): 219–220.

Kasper, J. C.; Bale,S. D.; Belcher, J. W.; Berthomier, M.; Case, A. W.; Chandran, B. D. G.; Curtis,D. W.; Gallagher, D.; Gary, S. P.; Golub, L.; Halekas, J. S. (December 4,2019). "Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sunsolar wind". Nature. 576 (7786): 228–231.

McComas, D. J.;Christian, E. R.; Cohen, C. M. S.; Cummings, A. C.; Davis, A. J.; Desai, M. I.;Giacalone, J.; Hill, M. E.; Joyce, C. J.; Krimigis, S. M.; Labrador, A. W.(December 4, 2019). "Probing the energetic particle environment near theSun". Nature. 576 (7786): 223–227.

Howard, R. A.;Vourlidas, A.; Bothmer, V.; Colaninno, R. C.; DeForest, C. E.; Gallagher, B.;Hall, J. R.; Hess, P.; Higginson, A. K.; Korendyke, C. M.; Kouloumvakos, A.(December 4, 2019). "Near-Sun observations of an F-corona decrease andK-corona fine structure". Nature. 576 (7786): 232–236.

主要作者涵盖了四个载荷的首席研究员(PI,Principle Investigator),劳动和创造得到了公众的认可。

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这些成果大致来说,主要是测量了太阳的磁场,记录了磁场不寻常的波动和短周期的变化,进而确认了,阿尔芬波(Alfvén waves),是驱动日冕加热最可能的主要机制。

此外,通过观察沿磁场方向运动的电子束,太阳磁场的方向反转(太阳磁场很狂暴,南北极相互穿插,不是偶极场),与局部等离子体径向速度的增加总是同时出现。

同时,观测到的等离子体速度的环向分量也比预期的要大很多,这应当是粒子被太阳磁场抛射出来之后,被太阳的自转加速形成的。

是不是感觉每个字都懂,连起来就不太好理解了?

没事,感兴趣的话,就去看看上面的四篇文章;实在很感兴趣的话,就报考我们研究所的空间物理学专业,来和我的师兄师姐师弟们(没错还缺个师妹)一起讨论呀!(记不清这是第几次被领导拖走了。)

我们的征途是星辰大海,可不是说说而已。美国人已经走在了前面,我们就要更加努力!

待得那:

瘟君且乘纸船去,春风杨柳暖樱红;携手同心摘日月,巡天遥看一千河!

不管是月亮太阳星星,我们一起晒个痛快!

美编:桃之夭

校对:张腾飞

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