高溫強磁輻射多,靠近太陽神有多難?

發布時間:2018-07-31  瀏覽:4649次  

上次我們介紹了NASA“與星同在”計劃中帕克探測器的前輩,以及帕克深入日冕的開拓性創舉;下篇我們將了解以他的名字命名的科學家帕克,體會“探日”歷程中的九九八十一難。  

帕克是誰?沒被拒過稿的院士不是好命名者

要問這位帕克是何方神圣?他就是現代太陽風和磁重聯理論的奠基人、美國科學院院士尤金·紐曼·帕克(Eugene Newman Parker)。說來帕克并非認識到太陽風存在的第一人,甚至也不是第一個猜到太陽風由帶電粒子組成的學者。

但他在初出茅廬的1958年就率先證明,高溫日冕的熱膨脹加速是超音速太陽風的持續起源。他還一并預言,太陽風勾勒出了磁力線的所在,因此在源頭的風向應該與日面垂直;但在太陽自轉的作用下,更大尺度上的磁場應該呈螺線形態。帕克螺旋在彌漫的等離子體太陽風中更是塑造出了龐大且同樣呈螺旋狀的日球層電流片,充斥著整個太陽系。  

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旋轉的太陽磁場誘發的日球層電流片的理論圖像。(圖片來源:John M. Wilcox/Werner Heil)

帕克的這套太陽風理論在開始時并不受歡迎,相關論文也被兩名審稿人一致要求拒稿,只是在時任《天體物理學報》編輯錢德拉塞卡的力保之下才得以發表。“巧”的是,帕克現今的頭銜正是芝加哥大學的錢德拉塞卡杰出榮休教授,可以說沒有當年錢德拉塞卡的慧眼識珠,他恐怕也不會取得今天的名望。

不過平心而論,用今天的眼光來看,這篇撰寫于60年之前的文章充滿了大膽且開放的假設與猜想,嚴謹度和說服力著實要打上些折扣。由于空間觀測數據匱乏的上世紀中期自有其局限性,帕克遭遇的審稿人作出此等反應也屬情理之中。

直到稍晚些時候美蘇兩國接二連三地發射了一大批空間探測器,證明了太陽風的真實性,帕克經典太陽風解的價值才被挖掘出來。





斯威特-帕克重聯示意圖:藍色是磁力線,箭頭是磁場走向,粉色是重聯區(圖片來源:scitechdaily.com

除了在探測器更名后被媒體廣為宣傳的太陽風起源,帕克另一個不得不提的重要貢獻是帶給磁重聯理論的,在時間上甚至比太陽風解的提出更早一些。磁重聯是已有磁力線斷開并重組的事件,通常認為這是包括耀斑在內眾多太陽活動的根基;此外太陽風中攜帶的磁場與地磁場發生的重聯也會誘發極光等現象,因此在日地關系的研究中不可謂不重要。

而最經典的磁重聯理論就叫做斯威特—帕克(Sweet-Parker)模型,它是帕克在1956年一次會議上聽到彼得·斯威特(Peter Sweet)提起兩團磁場方向相反的等離子體彼此靠近后發生的過程,自己又進一步推導了其標度關系而發展起來的。這套模型第一次將穩態磁重聯數學化,當是日后所有重聯理論的基礎。

隨著空間觀測技術的成熟,人們對空間環境的認識日益深入。帕克太陽風解也好,斯威特—帕克磁重聯模型也罷,都已經不再能完全解釋觀測現象了——前者難以應付速度高達每秒700余千米的高速太陽風成分,后者有限的重聯率又不足以將全部爆發現象納入掌控中。就算如此,它們的奠基性地位也還是不容動搖。

因此作為空間天氣研究的先驅,帕克本人可謂無數榮譽加身,不僅是美國天文學會屬下太陽物理學大獎——海爾獎的第一位獲獎人,還陸續榮獲太平洋天文學會的布魯斯獎、英國皇家天文學會的金質獎章、美國物理學會用于表彰等離子體突出貢獻人的麥克斯韋獎、被譽為日本諾貝爾獎的的京都賞,如今又迎來了太陽探測器的冠名,也算是開創了NASA以在世者命名航天器的先例,而且還是罕有的發射前命名。

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業已90高齡的尤金·帕克教授在參觀約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的帕克太陽探測器組裝車間。(圖片來源:NASA/JHUAPL)  

與太陽親密接觸?帕克靠近它可不容易

帕克太陽探測器帶著極具歷史意義的名字,意在實現歷史性的太陽接觸,其路途卻充滿了障礙。且不說它在立項之初就經歷過重重波折(這幾乎已經成了NASA大型計劃的通例),在項目本身被大開綠燈之后,如何飛往太陽就成了首先要攻克的難點。從地球發射后直接經過轉移軌道前往太陽附近未免太過消耗燃料,所以像那些飛往金星軌道之內的前輩航天器一樣,帕克也要先花費好幾年的時間,多次借助金星的引力來改變飛行方向,最終將進入周期88天的環日軌道。

入軌后,任務團隊要解決的又一個關鍵問題當屬保證探測器能夠在較長時間里順利應對太陽周邊的極端環境,從而有效開展科學研究。最終的環日軌道偏心率極高,近日點距離只有600萬千米,而遠日點則達到了上億千米。在一個軌道周期之內,帕克只會以每秒200千米的創記錄高速在近日點附近停留10余天。

這是為了保障探測器安全而必須作出的選擇——太陽附近無論是磁場還是帶電粒子流均遠遠強于近地空間,它們極有可能導致電子設備放電或材料的輻射損傷,更且會嚴重干擾通信。如果帕克探測器在日冕之內的近圓軌道上運行,怕是要不了多久就會整機報廢了,更要命的是還不得不冒著相當一部分科學數據無法傳回地球的風險。 

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帕克探測器前往太陽的軌跡,以紅色曲線表示。圖中還由外到內標出了地球、金星和水星的公轉軌道。(圖片來源:scitechdaily.com

神話中的伊卡魯斯因為飛得太過接近太陽而導致蠟質翅膀升溫熔化,不幸地摔到了地面上。為了免遭類似的命運,帕克探測器本體的設計顯然也要格外謹慎。前面已經說過,日冕有著百萬開爾文的高溫,現有任何材料都禁不起如此溫度的摧殘。好在這個數字看似夸張,其實不過是日冕物質運動的動力學描述,只意味著其中的粒子熱運動速度極高而已。在日冕的低密度環境下,手持溫度計前去測量倒是不會得到太可怕的讀數。

但就算如此,距離太陽超級近也等同于陽光超級強烈。陽光本質上是一種近似黑體的輻射,不可避免地要輸送熱量。根據計算,帕克探測器在抵達近日點處所承受的太陽輻射劑量是地球附近的500倍左右,朝向太陽一面的溫度更是會上升到1600開爾文以上,已然接近或超過多種主流金屬材料的熔點。為了保護星載設備不受損傷,它們都被安置在絕熱罩之后。這套絕熱系統厚11.43厘米,由最先進的碳纖維強化碳素復合材料制成,可以讓其陰影中的溫度降到300開以下的日常室溫水平;再配合能夠自動判斷環境條件、及時讓探測器轉向以實現防護最優化的軟件系統,各系統得以免遭烈日之害。

可以說,雖然飛向太陽的幻想自古有之,雖然研究者在幾十年前的太陽風發現之初就已認識到了直接探測日冕的意義和重要性,但直到近年,我們才具備了有效抵御強烈日照的技術手段,觸及太陽一事也才變得指日可待。從這一點來看,當代伊卡魯斯要遠比神話中的悲劇人物幸運得多,也必然會平安得多。

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正在接受熱環境測試的帕克探測器絕熱罩與太陽能電池板冷卻系統。(圖片來源:NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman)

科學儀器大可放心躲在由絕熱罩構筑的安樂窩中采集數據,但太陽能電池板卻不能,它們必須要時刻迎向太陽收集光線,哪怕到了近日點也不例外。

傳統的航天器電池板無力應付高溫強輻射的環境,所以工程師不僅參考了前往水星的信使號探測器的成功經驗,又專門為帕克探測器設計了獨此一家別無分號的主動制冷式供電系統。而且考慮在軌道不同位置上探測器與太陽的相對姿態有所不同,安裝在絕熱罩后方的一對電池板還采用了可開合的設計,在太陽附近向內收攏,遠離太陽后打開。就連熱量從電池組件向底部壓板的傳輸方式都與眾不同,特意用上了優良熱傳導性和絕緣性兼具的陶瓷載體和特制粘膠來保證散熱。

只有一點,看上去與上述種種高大上的創新格格不入的是電池板制冷系統所采用的冷卻劑——區區5升高壓水。畢竟航天器設計的總原則無外乎實用且盡量降低成本,既然化學性質無害又能滿足目標溫度范圍需要、本體還不至于太重的物質非水莫屬,這種常見得不能再常見的液體當然也就獲得了項目組的垂青。

關于帕克探測器太陽能電池板的設計,在此還要多扯幾句。直到本文寫成之時,Wikipedia仍將這套系統描述為“a dual system of solar panels”,稱其分為主副兩對,主電池板只在遠離太陽時展開,而面積小得多的副電池板帶有制冷系統,用于近日點飛掠。但這個設計實際是在差不多10年前提出的預研方案,最終并未被采納。

現已建成的這架探測器只設一對電池板,每塊各分為主副兩區,之間以固定角度相連,其中只有翹起的副區才會在近日點附近接收陽光。Wikipedia的相關詞條是又一個將早年參考文獻過分當真的典型。要知道帕克的建造也不過是近兩三年的事情,在工程領域,對年代過于久遠的文獻絕對要慎重處理,尤其是寫成于正式開工前較長時間的文檔,隨意引用的風險真的很大!

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左:2008年發表的帕克探測器設計結構圖,伸展在兩側的黑色矩形是主電池板,左側主電池板上方的藍紫色矩形小結構就是當年設想的副電池板之一。(圖片來源:Landis & Smith 2008)右:帕克探測器建成后的實際結構圖,可見只保留了一對電池板,其外側稍稍翹起的部分就是過近日點前后仍需工作的副區,但圖中描繪的是電池板在遠日點附近全面展開的形態。(圖片來源:JHUAPL)

所有這些措施都是為了科學考察的正常開展。帕克探測器攜帶有4架儀器,分別負責日冕與日球層內區的成像、太陽周邊電子/磁場/波動/坡印廷流/等離子體性質的實地觀測、被太陽大氣加速的高能電子/質子/重離子的計數,以及太陽風主要成分的性質測量。它們共同構成了太陽高層大氣研究的有機整體,更將與太陽動力學觀測臺、范艾倫探測器以及其他太陽觀測衛星一道搭建了針對太陽的多層次監測網。這是人類第一次有機會從太陽活動的源頭上進行采樣,并真切體會與星相伴的生活,其中可能蘊涵的新知讓人期待不已。  

帕克太陽探測器的科學載荷圖示。(圖片來源:Fox et al. 2016

(本文中標明來源的圖片均已獲得授權)

出品:科普中國

制作:Starfighter

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

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