迄今最接近太陽的探測器發回首批成果：揭示詭異的太陽磁場
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2018 年 8 月，具有歷史意義的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）由德爾塔4 重型火箭發射升空，隨後獨自踏上了奔赴太陽的漫漫長路，也就此揭開了人類探索太陽的新征程！
在飛離地球的一年多時間裡，Parker 已經三次近距離接觸太陽，在不斷靠近太陽的過程中，為了不掉入太陽的熾焰中，Parker 也順手創下了人造航天器最快的速度紀錄。
（來源：NASA）
為了弄清楚，為什麼太陽大氣層的溫度比太陽表面高出數百萬攝氏度，究竟是什麼驅動了太陽風，Parker 在研究人員的控制下不斷貼近太陽。最近時距離僅有 2400 萬公里，相當於水星距離太陽距離的一半。
近日，《自然》雜誌上發表的 4 篇論文，展示了 Parker 在過去一年多時間裡靠近太陽時觀察到的結果，雖然第一波數據還遠未能解答這些問題，但近距離的觀測結果有助於人類進一步了解這顆與地球相伴億萬年的恆星。
圖丨帕克探測器逐漸接近太陽示意圖（圖片來源：NASA）
作為人類最靠近太陽的一個探測器，Paker 正在踏入一片人類未知的領域，美國海軍研究實驗室的太陽物理學家、負責該探測器相機的 Russell Howard 說，我們一年前假設的問題會被現在的觀測結果推翻。
NASA 太陽物理學部主任 Nicola Fox 在周三進行的一個發布會上表示，這些關於恆星運行的全新信息將幫助我們更好了解太陽是如何對整個太陽系產生影響的。
（來源：NASA）
暴躁的太陽風
太陽風特指由太陽上層大氣射出的超高速等離子體（帶電粒子）流。在太陽日冕層的高溫（一百萬攝氏度）下，氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風。
對地球來說，來自太陽表面的太陽風以超過 500 公里/秒的速度源源不斷地向地球襲來，干擾著地球的磁場，破壞地球電離層的結構，造成無線電通信中斷，甚至影響地球大氣，引起火山爆發和地震。
圖丨太陽風概念示意圖
迄今為止，大多數太陽風測量都在地球附近，距離太陽約 1.5 億公里。當太陽風經過長途跋涉，最終來到地球家門口時，關於太陽風是如何產生的線索已經非常混亂。加州大學伯克利分校物理學家 Stuart Bale 有個形象的比喻，在地球研究太陽風，就像在瀑布的中間研究瀑布一樣：水不斷從身邊流過，混亂且沒有結構。但我們想要知道水的源頭在哪，到底是冰川融化還是一個湖？
因此，要找到這個線索，我們就要像找到瀑布源頭一樣，找到太陽風的源頭。
此前的研究認為在太陽極小期，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。
Paker 傳回的數據印證了這一說法，且進一步指出，所謂「慢太陽風」以較低的速度在赤道附近的日冕洞附近出現，速度低於每秒 450 公里；而在太陽極地附近，太陽風速度則超過每秒 450 公里。
圖 | 太陽風吹向地球（圖源：Wikipedia）
太陽風最終是如何被加速到 500-900 公里/秒的超高速度？研究指出太陽磁場線反轉是加速加速太陽風的原因。太陽風從溫度較低的日冕洞出發，沿著太陽磁場線運動，當磁場線偶然出現 180 度反轉時，這些太陽風會在數秒至數個小時內呈相反的方向運動，研究認為磁場線在反轉的同時會釋放大量能量，作用在太陽風上推動其逃離太陽，吹向太陽系的其他地方。
而磁場線如何才能短時間內劇烈反轉？目前的研究還不足以解答這個問題，科學家猜測這與太陽表面射出的等離子體運動有關。
詭異的太陽磁場
數據顯示，Parker在與太陽近距離接觸的過程中，大量的等離子體從太陽拋向太陽系，重重「砸」在探測器上。
但非常奇特的是，這些等離子體並不是平穩向外飛，探測器觀測結果顯示，等離子體在速度上非常跳躍，常常在短短几分鐘內，速度陡然提升到50萬公里/小時，這幾乎是平時的2倍。
圖 | 太陽磁場彎曲模擬圖（來源：NASA）
在此前的預測模型中，等離子體從太陽飛向太空的速度僅為10公里/秒以下，而實際觀測數據則遠大於此。更快的旋風可能意味著恆星的旋轉速度比我們想像的要快得多。這一現象提醒研究人員可能要重新思考太陽和其他恆星的進化方式。
與此同時，等離子體每次速度出現波動都伴隨著周圍磁場突然逆轉。「每次波動發生時，探測器上的指針會一直旋轉。」密歇根大學空間科學與工程學教授 Justin c. Kasper 表示，科學家猜測磁場中有一條「S」形的漣漪，就像太陽表面附近的磁場線被某個東西抓住，像鞭子被揮動一樣快速變形。
歐洲太空天文中心的天體物理學家 Yannis Zouganelis 認為，磁場變形並不讓人意外，但意外的是這種變化頻率極高，同時非常劇烈。
究竟是什麼造成了這種波動？這還是一個未解之謎，但波動頻率非常高這是可以確定的。探測器在11天內就記錄下了800次。
飛向太陽的「不死鳥」
肩負著人類歷史上最靠近太陽的探測任務，Parker 要在 7 年的時間裡 7 次飛掠金星，以藉助其引力來實現軌道調整，從而使探測器更接近太陽，在此期間，Parker 將環繞太陽一共飛行 24 圈，也將創下數個航天器紀錄。
距離最近：Parker 將會成為距離太陽最近的人造天體，設定的最近距離約為 610 萬公里，不僅首次進入太陽的日冕層，而且還打破了太陽神 2 號探測器在 1976 年 4 月 17 日創下的 4343.2 萬公里的最近距離記錄。
溫度最高：由於距離太陽近，且又運行在日冕層，所以 Parker 將會承受奇高無比的溫度，探測器面向太陽的一面需要承受高達 1377 攝氏度的高溫，但又必須要保證工作儀器始終處在幾十度的室溫條件下，可想難度之高。
速度最快：為了能夠掙脫地球引力的束縛，成為太陽系內的星體，Parker 也將創造人造物體有史以來最快速度的紀錄。據估計，其將以 70 萬公里的時速繞太陽運行，遠超當年太陽神 2 號的 25 萬公里/時的速度。打個比方，這就相當於 2022 年冬奧會的兩個舉辦地——北京和張家口之間一秒就走完全程。
當年的太陽神 2 號探測器已經可以到達距離太陽比較近的地方了，那為什麼經過了幾十年之後 ，Parker 才將這一紀錄向前有所推進呢？歸根結底，就在於前沿材料技術的進步使得探測器可以在不明顯增重的前提下，能耐受上千度的超高溫。
為創造距太陽最近的世界紀錄，人們必須找到能抵抗前所未有超高溫度的材料。可以說，如果沒有熱保護系統（TPS），就沒有 Parker 。
按計劃，Parker 將進入距太陽表面 611 萬公里範圍內。為了適應這種極熱的環境，探測器將攜帶一個複合熱保護罩，罩子將抵抗來自太陽的強光。這一隔熱罩在 10 年前還不可能造出。
一顆在地球軌道運行的衛星，到達其表面1平米面積上的陽光能量大約是 1350 瓦。但是 Parker 要抵達的位置比這個要近得多，僅為前者距離的 1/25，換算下來，每平米隔熱罩大約要承受 85 萬瓦能量。如果算上面積，Parker 需承受約 300 萬瓦的能量。
圖 | Parker 太陽探測器熱防護罩結構示意圖（圖源：GREG STANLEY / OFFICE OF COMMUNICATIONS）
探測器的隔熱罩也被稱為熱保護系統，由兩個碳增強材料複合層和中間夾約 4.5 英寸（11.43 cm）的碳泡沫構成。隔熱罩朝向太陽的一面還塗了一層特殊的白色塗層，以盡量反射來自太陽的能量。這種材料可以抵抗約 1371 攝氏度的高溫，保證儀器在約 30℃ 的環境下運轉。
與大多數商業碳纖維不同，它們的碳-碳結構沒有通過硬化樹脂聚合在一起，因為硬化樹脂會像熱鍋里的黃油一樣，在太陽附近蒸發。為了製造隔熱罩，NASA 用「切碎的碳纖維」填充樹脂，然後讓樹脂硬化，再用 3000 度的烤爐烤它，然後重複這一過程 4 到 5 次。最終獲得了纏繞在一起的碳纖維，且不含樹脂和別的物質。
僅憑這些碳泡沫的隔熱性能，並不足以保證探測器所需要的溫度。因為在空間中並沒有空氣散熱，唯一的散熱方式是散射光並以光子的形式發出熱量。因此，另一個保護措施是必需的：一個白色的保護層用來反射熱量和光。
為此，約翰·霍普金斯大學的應用物理實驗室與惠廷工程學院的先進技術實驗室合作，組成了一個專攻隔熱塗層的超豪華專家陣容，團隊研究範圍覆蓋高溫陶瓷、化學和等離子噴塗塗層。
通過進一步的測試，團隊最終選擇基於氧化鋁的白色保護層。但這個保護層會與碳反應而在高溫環境中變灰，因此工程師們在中間加了一層鎢，鎢層比頭髮絲還要薄，塗在熱保護罩和白色防護層中間，以防止兩層間相互反應。他們還加了納米摻雜劑，讓防護層更白並阻止氧化鋁顆粒的熱膨脹。
在 Parker 所處的環境溫度下，光滑的塗層會像被石頭擊中的窗戶一樣破碎。反倒是均勻的多孔塗層可以承受這一極端環境，當多孔塗層中出現裂縫時，裂縫會在到達孔隙時停止。塗層由幾個粗糙的顆粒層組成——每層陶瓷顆粒都有很強的反射光能力，層層配合補漏，可以將大部分光反射出去。
雖然諸多謎題還遠未解開，但目前尚屬年輕的 Parker 還將在未來的約 5 年時間裡繼續向太陽發起衝擊，刷新人造航天器的速度紀錄和距離紀錄。
而那些關於太陽的謎題，都將隨著 Parker 發回的、珍貴的極近距離太陽探測數據，而得到更多解答的可能。Parker 的任務結束日期是 2025 年 6 月，按照科學家的計劃，它將在任務結束之後墜向太陽，被分解成越來越小的碎片，並成為宇宙塵埃的一部分。
NASA 公布 Parker 傳回數據：
https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2019/11/12/first-parker-solar-probe-science-data-released-to-public/
-End-
參考：
https://www.nytimes.com/2019/12/04/science/nasa-parker-solar-probe-pictures.html
https://www.technologyreview.com/f/614820/the-closest-ever-approach-to-the-sun-has-shown-us-the-origin-of-solar-wind/
