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人類太空探索再進一步:“帕克”開啓太陽之旅

http://finance.sina.com   2018年08月13日 10:42   21世紀經濟報道

  人類太空探索再進一步:“帕克”開啓太陽之旅

  本報記者 白楊 北京報道

  導讀

  “帕克”最近可飛到距離太陽表面約600萬千米的位置,這僅爲地球到太陽距離的1/25。從而獲取日冕、太陽風等方面的“一手”信息。

  美國東部時間8月12日凌晨3點31分,美國宇航局的“帕克太陽探測器”(Parker Solar Probe)成功發射升空,開啓了它的太陽之旅。

  按照計劃,“帕克”預計於2025年6月結束此次探測任務。在爲期7年的任務中,“帕克”將繞着太陽飛行24圈,並創造多項歷史,比如成爲第一個進入太陽日冕層的探測器、人類創造的最快移動物體以及史上最耐高溫的探測器等。

  “從人類出現開始,對浩瀚宇宙的探索和研究從未停止過,而且隨着科學技術的發展,人類對宇宙的認識和對宇宙的釋義也不斷髮展。” 中國科學院國家天文臺研究員詹虎在8月11日召開的2018世界科技創新論壇上表示。

  也正是基於數十年來的科學研究以及對太空探測的不懈努力,才使得人類“觸及”太陽不再是天方夜譚。

  史上最“熱”的任務

  2006年諾貝爾物理學獎獲得者、伯克利加州大學物理學教授George Smoot 8月12日表示,人類在太空探索上存在很多挑戰,比如引力帶來的阻力、太空垃圾、缺少太空定位系統、進入太空的手段單一等。

  事實上,人類對於上述問題的解決能力有多少,也決定了在探空探索中能走多遠。對於“帕克”來說,在執行這一前所未有的太陽探測任務之前,首先要解決的是“耐熱”問題。

  太陽作爲整個太陽系的能量源泉,人類在距其約1.5億千米的地球上,已經能較爲深刻感受到它的熱量。而當“帕克”飛進太陽日冕層時,它身邊物質的溫度將高達上百萬度,同時還會受到的更爲強烈的太陽輻射。

  這裏需要了解的是,溫度和熱量兩個概念的區別。在太空中,溫度可能是上千度,但是深處其中的物體的熱量並不一定這麼高,這主要取決於空間中粒子的密度,因爲熱量需要粒子來傳遞,所以如果粒子的溫度高但數量少,其傳遞的熱量也大大降低。

  日冕層便是如此,它溫度雖然極高但密度非常低,這使得“帕克”穿越它時,隔熱罩表面溫度約爲1400攝氏度。爲了承受這個熱量,科學家們爲“帕克”研製了一個直徑2.4米、12釐米厚、重73千克的碳複合材料防熱罩(TPS),它由兩塊碳纖維合成板夾着11.5釐米厚的輕型碳泡沫芯組成,可承受1650攝氏度高溫,因此它能幫助“帕克”阻擋掉絕大部分熱量。此外,在隔熱罩面向太陽一側,科學家們還塗上了特殊配方的白色塗料,以儘可能多地反射太陽熱量。

  當然,隔熱技術僅僅能保證“帕克”在高溫情況下的存活,而它身上還肩負着更爲艱鉅的科研任務。這時候,有一些探測儀器就不能躲在隔熱罩背後。

  在隔熱罩外,“帕克”帶有多個特殊傳感器,它們只有手機一半大小,用於測量太陽風的離子和電子流動情況,並以此來調整“帕克”的姿勢。不要小看這些傳感器,因爲從太陽向地球傳遞信號需要約8分鐘,如果“帕克”遇到一些突發情況,在地球上進行指揮顯然有些遲鈍。

  而現在,“帕克”通過傳感器在前端可以實時收集數據,若其中任何一個檢測到太陽光,都會向”帕克“的計算中樞報警進行校正。同時,也不用擔心傳感器在隔熱罩外會被高溫融化,它們都是由鉬合金製成,熔點高達2000多度。

  另外,“帕克”上還有一些其他特殊設計,以保證其免受高溫的影響。比如太陽能電池板,在飛往太陽的過程中,“帕克”似乎不需要擔心能源的問題,但要擔心的是太陽能電池板的受熱問題。

  所以,在“帕克”每次進入太陽時,太陽能電池板都會縮回至隔熱罩裏,只保留一小部分暴露在太陽下,這部分依靠冷卻系統來獲得持久的電力供應。

  據悉,冷卻系統由熱管、散熱器和去離子水(冷卻液)等組成,熱管可把被加熱的去離子水導入散熱器,起到冷卻太陽電池翼的作用。由於去離子水被加壓,所以其沸點超過125攝氏度。

  揭祕太陽

  中國科協全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向記者表示,“帕克”太陽探測器的最大亮點是能“觸及太陽”,讓人類能夠以最近的距離觀察太陽。而且它還是首個正式探訪恆星的人造物體,可以對太陽進行全方位探測,其所獲得的數據也有望“顛覆”人類以往對太陽的認知。

  在他看來,對太陽進行全方位的深入觀測和探測有兩大意義:一是作爲宇宙中唯一可以進行高空間分辨表面觀測的恆星而具有的天體物理學上的重要性;二是由於人類依存於太陽,所以需要認識太陽的變化及對人類的影響。

  太陽爲地球提供光和熱,是地球生命存在的基礎,但是,一些太陽活動也給人類帶來了很多麻煩。比如太陽耀斑爆發所產生的大量紫外線、X射線、γ射線和高能帶電粒子,能擾亂地球磁場,引起磁暴,破壞電離層,造成短波通信中斷,甚至傷害地球上的生物。

  因此,人類自古以來就在不斷研究太陽,希望能夠掌握更多關於太陽的知識。但是,受技術水平限制,人類目前對太陽的瞭解還遠遠不夠,仍有很多難解之謎。比如“爲何日冕層會比太陽表面的溫度高數百倍?”、“填滿整個太陽系的太陽風是靠什麼驅動的?”等等。

  George Smoot提出,人類之所以需要進行太空探索,首先是服務地球的需要,其次是從長期角度,人類有開發臨近星球的需求,最後是科學探索的需要。

  科學家們一直在尋找這些答案,而這些答案在太陽系的其他位置似乎都無法找到。所以人類必須要靠近太陽,在日冕持續發熱的情況下進行探測。值得慶幸的是,現在人類已經初步具備了實現這一想法的技術。

  此次,“帕克”最近可飛到距離太陽表面約600萬千米的位置,這僅爲地球到太陽距離的1/25。所以,“帕克”能夠讓人類清晰地觀測到太陽風從亞音速達到超音速的過程,同時,它還將飛過高能太陽粒子的發源地,從而獲取日冕、太陽風等方面的“一手”信息。

  值得注意的是,“帕克太陽探測器”是以91歲的天體物理學家尤金·帕克(Eugene Parker)命名的,他是一位來自於芝加哥大學的科學家,在1958年首次提出了“太陽風”的存在。

  據悉,“帕克”帶有4種科學儀器,包括三種原位探測儀器以及一種遙感儀器,並利用原位測量和成像的方式來探測日冕和太陽風等。

  龐之浩表示,“帕克”的探測數據將能回答一些長期以來困擾着天文學家的難題,有助於揭示太陽的運行機制,瞭解太陽與行星、地球的關係。這也將提高人類預測太空天氣的能力,瞭解如何改善那些會影響地球生命的主要天氣事件,以及協助太陽觀測衛星甚至在太空工作的航天員對太陽的觀測。

  圓夢太空

  隨着人類對太空探索的深入,讓很多不可能變成了可能,其中很重要的一個原因,是人類在太空中多了很多“幫手”。

  此次“帕克太陽探測器”在使用推力極其強大的Delta 4重型發射器發射升空後,其直飛的目標不是太陽而是金星,這是因爲它需要藉助金星的引力作用改變速度和軌道。在7年的任務期內,“帕克”將7次借力金星,才能抵達最終的軌道。

  其實在浩瀚的宇宙面前,太陽也只不過是滄海一粟。2011年諾貝爾物理學獎獲得者Adam Riess表示,人類對宇宙瞭解的歷史得出的結論是,0.05%是行星組成,0.5%是恆星組成,5%是由氣組成的,而絕大部分宇宙的組成部分其實都是人類所不瞭解的。

  對此,已在空間探測領域工作30多年的上海交通大學航空航天學院常務副主任吳樹範表示,空間科學、太空探索是全人類共同面對的話題,也是宇宙給人類的共同命題。

  “卡西尼號飛船從地球出發經過金星、木星到達土星時,回望地球就是一個微不足道的白點。在這個尺度下,地球是茫茫宇宙的一粒塵埃,而地球上的人類就是一家人。所以,當人類要走出地球時,這個命題也是屬於全人類的,不分種族、國家和膚色。”吳樹範說道。

  去年,全世界多個機構的天文學家聯合宣佈,人類第一次發現非雙黑洞併合所產生的引力波。2017年諾貝爾物理學獎獲得者Kip Thorne表示,合作對解決引力波這個複雜問題非常重要。據其介紹,目前,用於探測引力波的LIGO項目總共涉及到1000多個科學家,80多個機構和16個國家。

  而擺在人類太空探索麪前的最大挑戰,便是技術突破。吳樹範表示,深空探測的挑戰會隨着空間技術的發展而永遠存在。“空間科學的發展牽引出空間技術的挑戰,而空間技術的發展又將推動空間科學的進步,這是二者的辯證關係。”

  預計在今年10月份,“帕克”將抵達金星軌道,並在11月初進行第一次繞日飛行,科學家們最快可於12月份收到第一批來自“帕克”的太陽探測信息。而在完成24次繞日飛行後,“帕克”將於2025年6月以超過每小時72萬千米的高速衝入太陽焚燬。

  已經飛離地球的“帕克”,在接下來的七年中會給人類帶來什麼,值得期待。(編輯:李清宇)

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