如何捕捉宇宙空間中的等離子體？

01-26

如何捕捉宇宙空間里的等離子體，從地表面向太陽發射一個等離子束，可以依靠宇宙空間中的等離子體，一直延續到達太陽那樣的長度嗎

放火。

點個火，用火柴啊，打火機啊之類的，或者是蠟燭，或者是煤氣灶??

火焰就是等離子體

NASA（美國國家航空航天局）還真干過這個事情，他們試圖捕獲一種叫太陽風的等離子體：

故事的主角是一顆叫起源號（Genesis)的太空飛船，它的質量是494Kg ：

太陽大氣中的等離子體，由於太陽和太空空間之間的壓強和密度差，向太空空間中膨脹，同時在經過複雜的加速、加熱過程後，以超聲速（確切的說是超磁聲速）攜帶著太陽的磁場吹向太空空間。他們遇到像地球這樣的行星阻擋後，會和行星的磁場相互作用，形成磁層。地球上南北極所觀測到的燦爛的極光，就是太陽風粒子注入地球辭呈並經歷一系列複雜的加速、加熱過程後，轟擊極區大氣所形成的。太陽風會一直賓士到太陽系的邊緣，在被稱作日球層頂的位置，與星際物質的動壓達到平衡。旅行者1號飛出太陽系的標誌，就是飛出日球層頂。太陽風這種等離子體一直是空間物理研究的核心對象。研究太陽風最重要的意義是搞清它的變化機制和對地球的影響機制，保障航天活動和地球通信、電網等設置的正常運行。同時，太陽風中的成分，大部分是氫離子（也就是質子）和電子，也有其他重離子和同位素。這些重離子和同位素能提供太陽系形成時的一些信息。

一般的研究方法是局地測量（in-situ observation)，即發射攜帶有分析太陽風粒子成分和物理參量儀器的飛船到太空空間中，實地測量吹過衛星的太陽風的性質。從蘇聯的月球1號（Luna-1)和美國的海盜2號（Mariner-2)開始，到今天的ACE、SOHO，已經有許多飛船進行了太陽風的局地測量。然而受限於衛星平台對儀器體積、重量和耗電量的限制，飛到天上的儀器的精度沒法和地面上的儀器比。同時，一艘飛船在天上運行的時間一般都比較長（像旅行者1號已經在天上飛了37年），其間即便儀器技術獲得了巨大的進步，也沒法給天上的飛船換儀器。所以對於比較精細的研究，把太陽風等離子體的樣本帶到地面上來，顯然是一個更好的主意。

於是NASA的科學家和工程師們就開始搗鼓了，終於在2001年的8月8日把這艘飛船送上了天！

該飛船的目標是：

獲得前所未有的太陽風離子的同位素丰度，以解決行星科學中的問題。
將太陽元素丰度的測量精度提高3-10倍。
像上世紀登月計劃帶回的月球樣本那樣，為21世紀的科學研究儲備太陽樣本。

飛船順利發射後，按照計劃變軌，在2001年11月16日飛行到了日地間的第一拉格朗日點（簡稱L-1點），在這個點，飛船所受到的太陽引力與地球引力的合力，可以使飛船以地球繞太陽公轉的角速度繞太陽旋轉，從而在日-地間保持相對靜止。在這裡，飛船將調整姿態，收集樣品的收集器對準太陽，太陽風進入收集器，被飛船保存。收集器，就是上面飛船圖中那三個蜂窩狀的圓盤。收集的原理可以參見這個網頁（The Stopping and Range of Ions in Matter Historical Review）。（這裡涉及到許多半導體物理的知識，我懂的不多，歡迎專業人士解釋）。

2004年4月22日，在完成了搜集任務後，起源號啟程返回地球。像神舟號那種個頭比較大的飛船返回時，可以在先用降落傘減速，在接地時再用火箭發動機減速制動，從而實現軟著陸。但起源號這種規模比較小的飛船難以安裝減速發動機。而常規的降落傘減速，在接地時的速度足以將千辛萬苦從太空中帶回的太陽風等離子體樣本搞爛。因此NASA的大神們想了一個牛逼的辦法：樣品被裝載飛船的返回艙中返回地球，在進入大氣層後，先用降落傘減速，再用直升飛機在半空中勾住它，從而避免樣品與地面撞擊。他們還準備了兩架直升機，第一架在2850米處勾住返回艙，如果失敗則由第二架在150米-300米的高度勾住它。下圖是飛行員在練習勾返回艙時拍攝的照片

非常遺憾的是，這個大膽而新奇的想法最終未能實施。返回艙返回時，由於重力開關裝置的電池故障，返回艙的降落傘沒能正常打開，返回艙墜落在美國猶他州的Dugway Proving Ground. 所幸的是，這裡是大沙漠，柔軟的沙地減小了飛船所受到的衝擊力。雖然其中的樣品受到了污染，但還是可以通過分析把來自太陽風的樣本剝離出來。

其實嚴格的說，這艘飛船帶下來的並不是等離子體，而是組成等離子體的離子。等離子體最重要的特性：集體運動，即各種波動現象，不能得到再現。然而，這似乎是人類第一次用飛船，取得了充斥浩瀚太空的物質樣品。月球的岩石標本，是由人（宇航員）來收集，而且形態是比較好保存的固體。而太陽風等離子體是極其稀薄的氣態物質，在L1點的數密度在10^0-10^1/m^3這個數量級。能將這樣稀薄的太空等離子體帶回地球，無論是想法，還是實現，都是讓我感覺非常牛逼的事情。

（我自己的專業是空間物理，雖然和恆星起源、行星科學這些學科有一些聯繫，但依然隔行如隔山。只是自己知道這個很了不起的故事，就把維基的內容和自己的一些私貨搬到了這，如有錯誤請指出。）

參考資料：

維基 Genesis (spacecraft)

起源號任務在NASA推進動力實驗室（JPL）的主頁 http://genesismission.jpl.nasa.gov/

Genesis 的確牛！

Genesis 上有程序，自動判別太陽風的類型（很複雜，需要知道現在和過去），打算回收後看不同太陽風中離子的差別，可惜摔壞了，雖然最後說沒什麼污染，但這誰知道呢，呵呵

如何捕捉 宇宙空間中的等離子體？

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