高温强磁辐射多,靠近太阳神有多难?

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  出品:科普中国

  制作:Starfighter

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  上次我们介绍了NASA"与星同在"计划中帕克探测器的前辈,以及帕克深入日冕的开拓性创举;下篇我们将了解以他的名字命名的科学家帕克,体会"探日"历程中的九九八十一难。

  帕克是谁?没被拒过稿的院士不是好命名者

  要问这位帕克是何方神圣?他就是现代太阳风和磁重联理论的奠基人、美国科学院院士尤金·纽曼·帕克(Eugene Newman Parker)。说来帕克并非认识到太阳风存在的第一人,甚至也不是第一个猜到太阳风由带电粒子组成的学者。

  但他在初出茅庐的1958年就率先证明,高温日冕的热膨胀加速是超音速太阳风的持续起源。他还一并预言,太阳风勾勒出了磁力线的所在,因此在源头的风向应该与日面垂直;但在太阳自转的作用下,更大尺度上的磁场应该呈螺线形态。帕克螺旋在弥漫的等离子体太阳风中更是塑造出了庞大且同样呈螺旋状的日球层电流片,充斥着整个太阳系。

  旋转的太阳磁场诱发的日球层电流片的理论图像:


  (图片来源:John M. Wilcox/Werner Heil)

  帕克的这套太阳风理论在开始时并不受欢迎,相关论文也被两名审稿人一致要求拒稿,只是在时任《天体物理学报》编辑钱德拉塞卡的力保之下才得以发表。"巧"的是,帕克现今的头衔正是芝加哥大学的钱德拉塞卡杰出荣休教授,可以说没有当年钱德拉塞卡的慧眼识珠,他恐怕也不会取得今天的名望。

  不过平心而论,用今天的眼光来看,这篇撰写于60年之前的文章充满了大胆且开放的假设与猜想,严谨度和说服力着实要打上些折扣。由于空间观测数据匮乏的上世纪中期自有其局限性,帕克遭遇的审稿人作出此等反应也属情理之中。

  直到稍晚些时候美苏两国接二连三地发射了一大批空间探测器,证明了太阳风的真实性,帕克经典太阳风解的价值才被挖掘出来。

  斯威特-帕克重联示意图:蓝色是磁力线,箭头是磁场走向,粉色是重联区:

  

  (图片来源:scitechdaily.com)

  除了在探测器更名后被媒体广为宣传的太阳风起源,帕克另一个不得不提的重要贡献是带给磁重联理论的,在时间上甚至比太阳风解的提出更早一些。磁重联是已有磁力线断开并重组的事件,通常认为这是包括耀斑在内众多太阳活动的根基;此外太阳风中携带的磁场与地磁场发生的重联也会诱发极光等现象,因此在日地关系的研究中不可谓不重要。

  而最经典的磁重联理论就叫做斯威特—帕克(Sweet-Parker)模型,它是帕克在1956年一次会议上听到彼得·斯威特(Peter Sweet)提起两团磁场方向相反的等离子体彼此靠近后发生的过程,自己又进一步推导了其标度关系而发展起来的。这套模型第一次将稳态磁重联数学化,当是日后所有重联理论的基础。

  随着空间观测技术的成熟,人们对空间环境的认识日益深入。帕克太阳风解也好,斯威特—帕克磁重联模型也罢,都已经不再能完全解释观测现象了——前者难以应付速度高达每秒700余千米的高速太阳风成分,后者有限的重联率又不足以将全部爆发现象纳入掌控中。就算如此,它们的奠基性地位也还是不容动摇。

  因此作为空间天气研究的先驱,帕克本人可谓无数荣誉加身,不仅是美国天文学会属下太阳物理学大奖——海尔奖的第一位获奖人,还陆续荣获太平洋天文学会的布鲁斯奖、英国皇家天文学会的金质奖章、美国物理学会用于表彰等离子体突出贡献人的麦克斯韦奖、被誉为日本诺贝尔奖的的京都赏,如今又迎来了太阳探测器的冠名,也算是开创了NASA以在世者命名航天器的先例,而且还是罕有的发射前命名。

  业已90高龄的尤金·帕克教授在参观约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的帕克太阳探测器组装车间:

  

  (图片来源:NASA/JHUAPL)

  与太阳亲密接触?帕克靠近它可不容易

  帕克太阳探测器带着极具历史意义的名字,意在实现历史性的太阳接触,其路途却充满了障碍。且不说它在立项之初就经历过重重波折(这几乎已经成了NASA大型计划的通例),在项目本身被大开绿灯之后,如何飞往太阳就成了首先要攻克的难点。从地球发射后直接经过转移轨道前往太阳附近未免太过消耗燃料,所以像那些飞往金星轨道之内的前辈航天器一样,帕克也要先花费好几年的时间,多次借助金星的引力来改变飞行方向,最终将进入周期88天的环日轨道。

  入轨后,任务团队要解决的又一个关键问题当属保证探测器能够在较长时间里顺利应对太阳周边的极端环境,从而有效开展科学研究。最终的环日轨道偏心率极高,近日点距离只有600万千米,而远日点则达到了上亿千米。在一个轨道周期之内,帕克只会以每秒200千米的创记录高速在近日点附近停留10余天。

  这是为了保障探测器安全而必须作出的选择——太阳附近无论是磁场还是带电粒子流均远远强于近地空间,它们极有可能导致电子设备放电或材料的辐射损伤,更且会严重干扰通信。如果帕克探测器在日冕之内的近圆轨道上运行,怕是要不了多久就会整机报废了,更要命的是还不得不冒着相当一部分科学数据无法传回地球的风险。

  帕克探测器前往太阳的轨迹,以红色曲线表示。图中还由外到内标出了地球、金星和水星的公转轨道:


  神话中的伊卡鲁斯因为飞得太过接近太阳而导致蜡质翅膀升温熔化,不幸地摔到了地面上。为了免遭类似的命运,帕克探测器本体的设计显然也要格外谨慎。前面已经说过,日冕有着百万开尔文的高温,现有任何材料都禁不起如此温度的摧残。好在这个数字看似夸张,其实不过是日冕物质运动的动力学描述,只意味着其中的粒子热运动速度极高而已。在日冕的低密度环境下,手持温度计前去测量倒是不会得到太可怕的读数。

  但就算如此,距离太阳超级近也等同于阳光超级强烈。阳光本质上是一种近似黑体的辐射,不可避免地要输送热量。根据计算,帕克探测器在抵达近日点处所承受的太阳辐射剂量是地球附近的500倍左右,朝向太阳一面的温度更是会上升到1600开尔文以上,已然接近或超过多种主流金属材料的熔点。为了保护星载设备不受损伤,它们都被安置在绝热罩之后。这套绝热系统厚11.43厘米,由最先进的碳纤维强化碳素复合材料制成,可以让其阴影中的温度降到300开以下的日常室温水平;再配合能够自动判断环境条件、及时让探测器转向以实现防护最优化的软件系统,各系统得以免遭烈日之害。

  可以说,虽然飞向太阳的幻想自古有之,虽然研究者在几十年前的太阳风发现之初就已认识到了直接探测日冕的意义和重要性,但直到近年,我们才具备了有效抵御强烈日照的技术手段,触及太阳一事也才变得指日可待。从这一点来看,当代伊卡鲁斯要远比神话中的悲剧人物幸运得多,也必然会平安得多。

  正在接受热环境测试的帕克探测器绝热罩与太阳能电池板冷却系统:

  

  (图片来源:NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman)

  科学仪器大可放心躲在由绝热罩构筑的安乐窝中采集数据,但太阳能电池板却不能,它们必须要时刻迎向太阳收集光线,哪怕到了近日点也不例外。

  传统的航天器电池板无力应付高温强辐射的环境,所以工程师不仅参考了前往水星的信使号探测器的成功经验,又专门为帕克探测器设计了独此一家别无分号的主动制冷式供电系统。而且考虑在轨道不同位置上探测器与太阳的相对姿态有所不同,安装在绝热罩后方的一对电池板还采用了可开合的设计,在太阳附近向内收拢,远离太阳后打开。就连热量从电池组件向底部压板的传输方式都与众不同,特意用上了优良热传导性和绝缘性兼具的陶瓷载体和特制粘胶来保证散热。

  只有一点,看上去与上述种种高大上的创新格格不入的是电池板制冷系统所采用的冷却剂——区区5升高压水。毕竟航天器设计的总原则无外乎实用且尽量降低成本,既然化学性质无害又能满足目标温度范围需要、本体还不至于太重的物质非水莫属,这种常见得不能再常见的液体当然也就获得了项目组的垂青。

  关于帕克探测器太阳能电池板的设计,在此还要多扯几句。直到本文写成之时,仍将这套系统描述为"a dual system of solar panels",称其分为主副两对,主电池板只在远离太阳时展开,而面积小得多的副电池板带有制冷系统,用于近日点飞掠。但这个设计实际是在差不多10年前提出的预研方案,最终并未被采纳。

  现已建成的这架探测器只设一对电池板,每块各分为主副两区,之间以固定角度相连,其中只有翘起的副区才会在近日点附近接收阳光。Wikipedia的相关词条是又一个将早年参考文献过分当真的典型。要知道帕克的建造也不过是近两三年的事情,在工程领域,对年代过于久远的文献绝对要慎重处理,尤其是写成于正式开工前较长时间的文档,随意引用的风险真的很大!

  

  △左:2008年发表的帕克探测器设计结构图,伸展在两侧的黑色矩形是主电池板,左侧主电池板上方的蓝紫色矩形小结构就是当年设想的副电池板之一。(图片来源:Landis & Smith 2008)右:帕克探测器建成后的实际结构图,可见只保留了一对电池板,其外侧稍稍翘起的部分就是过近日点前后仍需工作的副区,但图中描绘的是电池板在远日点附近全面展开的形态。(图片来源:JHUAPL)

  所有这些措施都是为了科学考察的正常开展。帕克探测器携带有4架仪器,分别负责日冕与日球层内区的成像、太阳周边电子/磁场/波动/坡印廷流/等离子体性质的实地观测、被太阳大气加速的高能电子/质子/重离子的计数,以及太阳风主要成分的性质测量。它们共同构成了太阳高层大气研究的有机整体,更将与太阳动力学观测台、范艾伦探测器以及其他太阳观测卫星一道搭建了针对太阳的多层次监测网。这是人类第一次有机会从太阳活动的源头上进行采样,并真切体会与星相伴的生活,其中可能蕴涵的新知让人期待不已。

  

  (图片来源:Fox et al. 2016)

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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