人类首次“触碰”太阳！航天器“帕克”如何做到不被高温熔化？ 丨科技能见度

12月14日，美国国家航空航天局（NASA）科学任务理事会副局长托马斯·祖布钦在2021年美国地球物理联盟秋季会议上宣布，在“帕克”太阳探测器（下称“帕克”）发射3年后，该探测器于今年4月穿过太阳大气的最外层（日冕），成为首个“接触”太阳的航天器。

据NASA称，这一新的里程碑标志着太阳科学的一大飞跃，接触太阳的组成成分，将有助发现太阳及其对太阳系影响的关键信息。

“帕克”太阳探测器在太阳风中飞过折返的插图。图源美国国家航空航天局官网。
人们常将太阳比作火球，“触摸”火球，“帕克”是如何做到的？太阳又有什么值得探索的秘密？“太阳的日冕比其实际表面热得多，这是长期存在的太阳之谜。”中国科学院国家空间科学中心刘勇解释道，“由于‘帕克’表面覆盖一层隔热板，特殊的材料帮助其防高温与辐射。”

安装在帕克太阳能探测器上的隔热板。图源美国国家航空航天局官网。
“触摸”太阳的必要防护：
探测器覆盖碳复合材料的隔热板
太阳光球层的温度约为6000摄氏度，但日冕内部的温度可高达百万摄氏度甚至更高。“像是油炸冰激凌一样。”刘勇以此来形容太阳表面和日冕的温度差别。

“帕克”比以往的航天器都更接近太阳，当它运行到近日点后，周围的温度将非常高，探测器是怎样耐受高温而不被熔化呢？
“其实，百万摄氏度的日冕温度，所对应的热量可能没有想象中的高。”刘勇说，“一般来说，温度是指物体的冷热程度，而这些冷热程度是电子、质子等粒子的随机运动速度来决定的。热运动速度越快，温度则越高。”
但温度并不能表现物质分布密度的状况，刘勇指出，在相同的体积空间内，粒子平均运动速度相同，尽管温度值对外表现相同，但所传递出的热量还与粒子密度相关。
　　“打个比方，太阳周围的大气，如果有一座山那么大的体积，其重量会像乒乓球一样。这足以说明它的密度非常低。”刘勇继续解释道，在这样的情况下，尽管粒子运动速度很快，温度很高，但热量并没有想象中的大。

尽管如此，探测器结构和材料仍需做好防高温和防辐射，来保证航天器的万无一失。“帕克”表面覆盖一层隔热板，起到了重要的隔热作用。“这层隔热板由碳复合材料制成，并且呈多层分布，能够起到反光、隔热的作用，在穿越日冕层时，可以将外界热量有效隔绝开来，保持探测器内部温度的适宜。”刘勇介绍道。此外，暴露在环境中的仪器设备也由特殊材料制成，以抵御高温环境。
　　类似热防护的应用，多体现在航天领域。刘勇举例介绍，神舟十二号载人飞船返回舱在返回地球过程中，与大气层剧烈摩擦，但舱内的航天员却并不会受到高温影响，这也得益于返回舱使用到的蜂窝状防热材料，具备耐高温、高强度的特点。

回到起源的地方寻找答案：
新发现“折返”起源于太阳的可见表面
2018年，“帕克”发射升空，开始在太阳附近盘旋。
2021年4月，在“帕克”第八次飞掠太阳期间，该探测器首次越过阿尔文临界表面。这标志着“帕克”终于进入了太阳大气层，接触到了太阳的日冕。
阿尔文临界表面，被认为标志着太阳大气的终结和太阳风的开始，也是区分太阳大气和太阳风的边界。
“太阳风在传播的过程中会演化，例如在地球附近接收的太阳风，是已‘跨越’千山万水来到地球，可以算作是成年的。但想要研究太阳风的起源、为什么太阳风会被加热等问题，最好是贴近其原始状态，即它刚出生的时候。”刘勇形象地比喻道。
在不断靠近太阳的过程中，“帕克”寻找到了什么？
在太阳风中存在一种锯齿形结构的“折返”现象，“帕克”发现折返起源于太阳的可见表面，即光球层。科学家原本以为这种现象很罕见，但随着不断深入太阳大气，“帕克”观测到这是较为常见的。

帕克太阳探测器观察到了折返——太阳风中的移动扰动导致磁场向自身弯曲。图源美国国家航空航天局官网。
研究人员还了解到，阿尔文临界面的边界不是围绕太阳的光滑圆，相反，它有尖峰和低谷。这有助于科学家将它们与太阳表面的太阳活动相匹配。
此外，据NASA称，了解太阳风的组成部分在哪里、如何出现，以及它们是否与折返有关，可以帮助科学家们解答一个长期存在的太阳之谜：日冕如何被加热到百万摄氏度，并远高于太阳表面。
据报道，“帕克”可能会在2022年初发生下一次飞越，再次穿过日冕。在任务完成之前，它将在七年的时间内21次近距离接近太阳。
人类为什么关心太阳：
太阳活动对地球的影响不可忽视
科学家们试图通过各种方式探究太阳的秘密，但人类究竟为何要关注太阳？

“太阳爆发活动对地球产生影响的事件，发生过多次。”刘勇讲道，1989年，加拿大魁北克省发生停电事件，是太阳经历了一场大规模的风暴，爆发后携带了数量惊人的等离子电荷直冲地球，从而引发了地球磁暴，而磁暴产生的大量电流，使输出线路严重过载，进而发生了断电事件。

一部分闭合的磁力线环回太阳，另一部分为环绕着伸入太空的开放磁力线。图源美国国家航空航天局官网。
“简单来讲，太阳风暴把地球磁场‘晃’了一下，因为磁场移动就会发电，电到达地面的输电线路中，烧坏变压器从而导致停电。”刘勇说，“太阳的爆发活动，会剧烈地扰动空间的环境，严重的可能造成损坏，也有可能影响航天员的安全。这种现象被称为空间天气。”

帕克探测器拍下飞过的日冕流线。图源美国国家航空航天局官网。
“了解太阳很重要，由于太阳引起的空间天气，如太阳耀斑和日冕物质抛射事件，会影响太空中的电网、卫星、GPS和航天员等。因此，人类需要去了解太阳更多的秘密，也能够加强对地球的保护。”刘勇说。
在太阳探测方面，同样呈现有中国方案和中国贡献。
2021年10月14日，中国成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”，实现中国太阳探测破冰之旅。此外，预计2022年上半年，我国还将择机发射综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台（ASO-S），以观测太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射，并研究三者的关系。
【记者】刘佳荣

【策划】张志超 吕虹
【作者】 刘佳荣
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