帕克太陽風探針：太陽風是否如我想像

科技 08-12

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編者按

親愛的讀者朋友們，今天是我們《航天器連連看》專題系列的最後一期。

本周的航天器連連看中，我們乘著「探路者」率先登陸了火星，和「拂曉」號一起守護過金星，隨著「伽利略」號觀賞了美麗的土星，今天，小編將會為您介紹帕克太陽風探針，去探究太陽系中的大boss產生的太陽風。

太空其實並不空，在太陽系的空間中，充斥著一種名叫「太陽風」的帶電粒子流。顧名思義，這種特別的風源自太陽。在日冕底部高溫的驅動下，太陽大氣中的等離子體被加速到超音速狀態，奔向無垠的太空之中。平靜是太陽風的日常，但狂風暴雨一樣的太陽風暴也會經常出現，擾動空間中的物質和磁場，影響地球和其他行星附近的空間環境。

在日全食發生時，太陽耀眼的光芒會被月球暫時遮擋。這時，太陽大氣中的日冕結構便會呈現在太空中。在上世紀50年代初，天文學家們意識到，要支撐這些拱環和射線狀的結構存在，接近太陽表面的日冕底部必須有很高的溫度。當時，著名的空間物理學家西德尼·查普曼通過計算髮現，日冕底部的溫度可能高達數百萬度。後來，對太陽大氣的觀測證實了這一點。

（日食時拍攝到的日冕結構）

我們地球上的大氣層並不向外膨脹，能夠穩定的包裹在地球周圍，來讓各類生物們持久的生存。查普曼認為太陽大氣的形態與地球類似，由日冕高溫產生的向外膨脹的力和太陽對日冕的引力相平衡，形成了靜止的太陽大氣。

於此同時，天文學家路德維希·比爾曼注意到了彗星觀測中的另一個有趣的現象。他發現，當彗星在太空中穿行時，會出現兩個指向不同的尾巴。其中一個慧尾，無論彗星是朝向太陽還是遠離太陽運動，這個彗尾總指向背離太陽的方向。比爾曼推測，在太空中應在存在一些流動的物質，吹拂著彗星，形成了這個特別的慧尾。經過計算，它推測這種流動的速度應該在500-1500公里/秒之間。但這種流動從哪來？比爾曼並不能回答這個問題。

（圖中的Gas tail，即為彗星被太陽風吹拂形成的「氣體尾」，也稱「離子尾」）

在芝加哥大學，一位獲得教職不久的年輕學者尤金·帕克注意到了這兩個發現。他認為，日冕底部的溫度高達數百萬度，這一點是靠譜的。在太陽系的邊緣，太陽大氣應該和星際物質形成平衡態。但如果按照太陽大氣處在靜止平衡態來計算，延伸到無窮遠處的太陽大氣壓強將比星際物質的壓強大的多，這在真實世界中是不可能的。而如果變換一副物理圖像，讓靜止的太陽大氣動起來，不但可以解決無窮遠處壓強過大的問題，還能找到吹拂彗星尾巴的流動的來源。

在1958年那篇開創性的論文中，Parker用簡潔的物理模型描述了太陽大氣動起來的原因：由於日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強梯度力。在壓強梯度力的作用下，太陽大氣中的等離子體逃脫了太陽引力的束縛，被逐漸加速並最終達到超音速（更準確的說，應該是超磁聲速），形成了太陽風。帕克用來計算太陽風速度的那套方程還存在著其他可能的解，在論文中，帕克還解釋了為什麼形成超音速太陽風的那個解是唯一的有物理意義的解。此外，他還提出了著名的「帕克螺旋線」理論，用來描述太陽磁場被太陽風攜帶到太空中之後的基本形態。

（帕克關於太陽風的開創性論文）

這篇劃時代的論文，一開始竟然被兩個審稿人「槍斃」了。因為他們壓根就不相信在日食中看起來像是靜止不動的日冕居然會最終變成超音速的太陽風。一位審稿人甚至羞辱性的在審稿意見里寫到，「如果帕克懂一點關於太空的知識的話，就肯定不會這麼瞎扯。」（If Parker knows anything about space, he wouldn』t have been such nonsense）。好在期刊的編輯錢德拉塞卡願意給這種理論一個發表的機會，才使這篇論文能在1958年面世。後來，蘇聯的月球1號和美國的水手2號等飛船的探測，證實了超音速的太陽風的確存在。而真正在瞎扯的，正是那兩個審稿人。

Parker的開創性工作，同時也挖出了一個世紀大坑。在帕克的模型中，太陽風被一隻「看不見的手」加熱和加速。通過等溫假設，帕克太陽風模型中的太陽風從一個「神秘來源」中獲得了全部的能量。這和「真空中的球形雞」（啥？你說你不知道這個梗？那快到網上去搜索一下吧！)一樣都是為了建立初步物理圖景而引入的必要假設。然而進一步的研究一定要具體的說明「看不見的手」到底是什麼物理過程，「神秘來源」到底來自何處。在幾十年中，人們提出了複雜而豐富的理論來解釋太陽風的加速加熱，形成了好幾個理論流派，但誰也無法說服誰。大家之所以撕了幾十年還沒有個結論，是因為現有的衛星觀測到的太陽風，都已經完成了加速加熱的過程。而對於太陽風的起源地日冕，我們只能通過望遠鏡遙望，而沒有實地探測的數據。

(不同波段的太陽遙測數據拼圖)

為了能夠填上「太陽風加熱加速機制」這個大坑，科學家們提出了一個抵近太陽的觀測任務計劃。在這個任務中，一個探測器將運行在環繞太陽的大橢圓軌道上，利用金星的引力彈弓效應不斷降低軌道，距離太陽最近的時候其日心距離將小於10個太陽半徑（大概相當於太陽到水星距離的八分之一），到達太陽風加速過程真正發生的地方，進行就地探測，獲得關於太陽風起源的最「鮮活」的觀測數據。這個探測器，一開始被命名為「太陽探針」（Solar Probe），後來又被升級成了「太陽探針加強版」(Solar Probe Plus)。今年5月，NASA決定又改掉了這個探測器的名字，以「始作俑者」帕克的名字命令了它，即「帕克太陽風探針」（Parker Solar Probe）。以人名命名的NASA任務不勝枚舉，比如哈勃、斯必澤、開普勒、伽利略等等，但帕克太陽風探針是唯一一個用活人的人名命名的任務。在命名儀式上，帕克的本尊就出現在了現場。而伽利略、開普勒他們，就只能在棺材裡偷著樂了。

（帕克太陽風探針）

（命名儀式上的帕克教授）

帕克太陽風探針在技術上的最大挑戰是如何避免被太陽烤熟。太陽風的溫度雖然高達數百萬度，但因為十分稀薄，所以並沒有什麼威脅。真正能把飛船玩壞的，是太陽的輻射能。為此，飛船在底部設置了一個防熱大底，它的造型有些像神舟飛船返回艙底部的防熱層。在距離太陽很近時，飛船將始終保持大底朝向太陽的姿態，搭載的探測器將處在防熱層的遮擋出的「陰涼」之中工作。同時，飛船還配備了一大一小兩套太陽能電池板。在遠離太陽時，使用大電池板供電。在抵近太陽時，收起大電池板、伸出小電池板以防止電池板被烤壞。電池板表面還噴塗了一層特殊的塗層，用以反射太陽的紅外輻射而透射太陽的可見光輻射。同時，帕克太陽風探針比其他的人造飛行器跑的都快，在軌工作時的最高速度可達200公里/秒。