帕克太陽探測器將進入熾熱的太陽日冕層

來自專欄博科園4 人贊了文章

8月11日美國宇宙局(NASA)計劃發射地球上的第一艘宇宙飛船，進入金星和水星的軌道，觸摸太陽熾熱的日冕邊緣。帕克太陽能探測器配備了加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)設計和製造的儀器，將實現太空科學家們幾十年來夢寐以求的目標：接近太陽，了解我們從地球上看到的湍急表面是如何將能量釋放到日冕層，並將日冕層加熱到近200萬華氏度，從而產生不斷轟擊地球的太陽風。加州大學伯克利分校的物理學教授斯圖爾特·貝爾(Stuart Bale)說：這是我們從上世紀50年代以來一直想要的一項太陽物理學，就我個人而言，自從2010年這項研究獲得批准以來，我一直在研究它，但我真的花了職業生涯的很大一部分時間來準備。

博科園-科學科普：太陽探測器的飛行速度將超過歷史上任何航天器，其最高時速將達到43萬英里每小時，在2024年左右，它將只比太陽表面高出4.5倍，即380萬英里。探測器裝有隔熱罩，以保護感測器不受太陽熱量的影響。太陽的熱量可能高達2500華氏度，接近熔化鋼鐵的溫度。在這個距離內，太陽探測器將處於一個電子和電離原子(主要是氫離子或質子和氦離子，稱為粒子)被加速並以高速射向行星的區域內。當這些被稱為太陽風的離子撞擊地球時，它們與地球磁場相互作用，在最外層大氣中產生南北光和風暴，干擾無線電通信和衛星運行。加速到更高的速度，所謂的「太陽能量」粒子會對宇航員構成威脅。

太陽表面，或者說是光球層，大約有10000華氏度，但是太陽探測器飛行的區域，日冕是200萬華氏度，科學家們想知道原因，你呢？圖片：NASA image

科學家們仍然不知道太陽風離子是如何加速的，也不知道為什麼日冕中的離子和電子比太陽表面的溫度要高得多，大約170萬華氏度，而太陽表面的溫度相對要低1萬華氏度。帕克太陽探測器可以回答這些問題，並幫助地球上的科學家預測太陽大規模噴發對宇宙飛船和通信系統造成的最大威脅。FIELDS是加州大學伯克利分校空間科學實驗室(UC Berkeleys Space Sciences Laboratory)製造的一套儀器，是探測器上的四個儀器包之一。在一根6英尺長的杆子的幫助下，它將測量日冕中的電場和磁場，從而告訴科學家從太陽向外流動的總能量。

這些測量將檢驗太陽如何加熱日冕的一種理論：通過抖動磁場線。強烈的太陽磁場向太空中伸展，但是磁場線被固定在表面區域，因為下面的對流而不斷移動，就像沸水一樣。磁場線基部的持續運動產生沿著線向外傳播的波，就像長繩末端的抖動會將波發送到另一端一樣。不知何故，這些所謂的阿爾芬波將粒子加速到高速，並將它們拋向太空。如果波浪驅動模型是正確的，那麼測量將是這次任務的基本測量。另一種流行的理論是，遍布太陽表面的微小耀斑（納米耀斑）會產生磁場，這些磁場相互交叉、重新連接，並將斷開的磁場環路拋向太空，從而加速離子的運動。

這是由尤金·帕克在1987年首次提出的，以他名字命名的太陽探測器。現年91歲的帕克在20世紀50年代預言了太陽風的存在，並將其命名為太陽風。field包上的無線電天線將尋找由納米耀斑產生的無線電波，而納米耀斑尚未被探測到，而另一個包的儀器，SWEAP(太陽風電子阿爾法粒子和質子)將記錄太陽風電子、質子和阿爾法粒子通過探測器時的速度。將納米耀斑或微耀斑活動與來自太陽的粒子流通量相關聯可以證實磁重連理論。SWEAP由密歇根大學和位於馬薩諸塞州劍橋市的史密森天體物理天文台領導，不過該儀器的大部分設計和建造都是在加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的空間科學實驗室進行。

探測器上還有另外兩個儀器包，派克太陽能探測器的廣域成像儀WISPR是在海軍研究實驗室製造，將直接在軌道探測器前面捕捉太陽日冕的可見光圖像。ISIS（發音為E-sis） - 太陽綜合科學研究的縮寫，包括，太陽的符號，縮寫 - 由普林斯頓大學領導，將測量通電電子和離子的能量和身份，包括離子比氫和氦更重，以便了解它們有時如何加速到接近太陽的近乎光速總之，這些儀器應該能夠記錄太陽風從亞音速加速到超音速以及最高能量太陽粒子的誕生。等離子體物理在實驗室里真的很難研究，特別是圍繞太陽這樣的恆星，把航天器放在熱等離子體中是理想的實驗室。

環繞金星

這個探測器是貝爾一生難得的機會。儘管他的團隊將在發射後的一天內部署吊杆和測試儀器功能，但大多數儀器將會關閉，直到11月探測器首次接近太陽時才會開始對日冕進行真正的測量。在繞著金星繞圈減速後，探測器將獲得迄今為止最接近太陽的航天器，距離太陽中心的距離等於太陽半徑的36倍(36個太陽半徑)。金星運行在155個太陽半徑和水星83個太陽半徑。在接下來的6年里，探測器將再繞金星繞圈6次，逐漸移動到離太陽中心約9.8個太陽半徑的位置。在那裡，它將在日冕內部，在它的外部邊緣，粒子的速度超過了聲速（阿爾法溫速度，大約每秒200英里）不再是太陽的家。這次任務的目標是進入過渡區域，這樣我們就能進入真正的冠狀星雲，那裡的流動是亞阿爾法溫尼克，這個邊界大約是15個太陽半徑，所以可能要到2021年才會到達。

一旦進入日冕內部，探測器可能會看到擺動的磁場線，或稱阿爾芬波，在太陽表面和日冕邊緣之間來回反射，這是一個湍流級聯，可能是將粒子加速到太陽風中的高速反饋迴路。在12月初，科學家希望在35個太陽半徑處有第一批數據，相信這將是革命性的。從對以往任務的了解來看，那裡將會有很棒的新東西。在7年的時間裡，探測器將24次探入太陽內部大氣層。作為美國宇航局拓展計劃的一部分，超過110萬人將他們的名字記錄在記憶卡上，這張記憶卡將與航天器一起環繞太陽運行。探測器計劃於8月11日星期六凌晨從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射，搭載著一枚聯合發射聯盟德爾塔4號重型火箭，火箭的上一級將其推離地球軌道，飛向金星。

博科園-科學科普｜加州大學伯克利分校

博科園-傳遞宇宙科學之美

推薦閱讀：