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太阳是我们所在太阳系的绝对主宰,它以其占据整个太阳系质量99.86%的庞大身躯,在约束太阳系内各大天体行动的同时,也向整个空间释放着巨量的光和热,成为太阳系光明的来源,更是地球这颗活力星球能够孕育和发展生命的支撑力量。
随着科学技术的发展,人类已经不满足探索月球、火星、金星这样的地球“近邻”,对太阳进行探测也越来越成为人类共同的愿望。年8月,美国发射了帕克太阳探测器,经过3个月的飞行,第一次抵达太阳系边界的大气层。由于太阳的引力非常巨大,从目前的技术层面看,帕克探测器还不能一下子达到最接近太阳的轨道位置,需要借助金星的引力,不断调整和修正运行轨道,以螺旋形式逐渐接近太阳,预计将于年,在围绕太阳飞行24圈之后,最终抵达距离太阳最近的万公里区域。
大家知道,太阳的半径近70万公里,在它强大的引力以及强烈核聚变的加持下,其表面覆盖着一层厚厚的、呈现高度电离的高热“等离子气体云”,构成了太阳浓密的大气层。根据粒子特性、温度的不同,太阳大气层又可以分为光球层、色球层和日冕层,其中光球层是太阳大气的最底层,厚度达公里以上,这一层所发出的太阳光线的亮度和携带的能量最强,我们从地球上看到的光辉的太阳,其实就是太阳的光球层。不过,在光球层与色球层的交界处,温度比较低,只有4摄氏度左右,而随着高度的增加,太阳大气层的温度迅速升高,在到达日冕层底部时,可以达到上百万摄氏度。
目前,帕克探测器已经处于围绕太阳运行的第8圈,与太阳的距离拉近到万公里,已经处于太阳的大气层范围内,准确地说已经进入到太阳的日冕层外围。这是人类发射的探测器,第一次与太阳的大气层进行“亲密接触”。
通过太阳内部时刻发生的核聚变,大量的高能粒子向外喷射而出,而在巨大的辐射压影响下,在距离太阳一定距离内的大气层中,存在着一个临界区域,一旦高能粒子流通过这个临界区,那么就不能再在重力和磁场的作用下重新返回太阳内部,而是以太阳风的形式向宇宙四面八方飞散,再也回不来了,这个临界的区域被定义为“阿尔文界面”。
帕克太阳探测器总质量为公斤,上面携带着众多精密仪器设备,绝大部分都是用来监测太阳高能粒子运动状态和规律的,比如测量太阳风的阿尔法粒子与质子调查器、太阳风宽视场成像仪、电磁场调查仪等等,通过近距离或者身处太阳大气层中,可以实地观测太阳的磁场和高能粒子特性,同时还可以据此分析太阳大气层的精确结构和组成,这对于揭示太阳风形成的内在机理和物理机制具有重大意义,是其它天文望远镜所不能代替的。
在进入日冕层的上部以后,帕克探测器传回了相关数据,使科学家们解决了长期以来困扰的一个难题,那就是关于太阳阿尔文界面所在的位置。通过传回的数据,科学家们判断,帕克探测器所处的距离太阳表面公里区域,实际上已经穿越了阿尔文界面,在这里探测器观测到了高能粒子流能量聚集的不均匀状态,存在着类似“波峰”和“波谷”的情况,另外还观测到了太阳大气层存在的“伪流”,也就是可以在发生日全食时,从地球借助望远镜看到的太阳表面存在的巨大气体喷流现象。
虽然帕克探测器进入到太阳的日冕层,但还仅仅是上层空间,这里无论是温度,还是高能粒子流的冲击,都对探测器带来了极大的考验,在坚持几个小时之后,不得不按照原有的飞行计划远离这个区域,最后再在未来的某个时期,以螺旋飞行模式使其近日点进一步降低,可以对更深层的太阳大气展开详细研究。
在太阳的日冕层底部温度能达到上百万摄氏度,帕克探测器目前所处区域的环境温度,起码也得有摄氏度以上,预计在最终的近日点处温度可以提升到摄氏度以上。之所以探测器没有被烧毁,主要取决于它的结构设计和散热效率。
从结构设计上看,探测器外部除了温度感应装置直接暴露在空间中之外,其他部位都被较厚的隔热罩包裹,在高能粒子的猛烈冲击下,隔热罩表层的喷涂物质能够产生等离子羽流,在“升华”的过程中吸收掉很多热量。从散热效率上看,探测器的隔热罩下面,还分布着密密麻麻的冷却水管,也能吸收很多热量,并依靠管内水体的流动,将热量传递到散热器中,最终散发到周围环境中。
从帕克探测器的探测计划来看,依靠这些高效的隔热材料和先进的设计工艺,完全可以耐受住更加恶劣太阳大气层的“洗礼”,不过,在抵达最靠近太阳的轨道点之后,过不了多久,这些隔热材料完全升华、覆盖层被高能粒子击穿的命运就不可避免了,届时探测器将在完成任务后,实现华丽的“转身”,在太阳大气层中“熊熊”燃烧,最终形成太阳大气层的组成部分,与太阳融为一体。