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[科普中國]-人類首次近距離接觸太陽:帕克身負(fù)防熱“盾牌”首次直接飛入日冕

科普中國頭條創(chuàng)作與推送
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地球上生物的生長發(fā)育都離不開太陽,食物鏈的源頭是植物,有了太陽光,地球上的植物才能進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物,為人和動(dòng)物提供了充足的食物和氧氣。太陽對于我們?nèi)绱酥匾?,我們對它的了解卻微乎其微。目前,我們主要是憑借太陽望遠(yuǎn)鏡在地球上從去了解太陽,而太陽內(nèi)部究竟是怎樣的運(yùn)作機(jī)制,此前很難通過近距離的探測進(jìn)行研究??茖W(xué)家們也只能通過日震學(xué)和光譜分析等方式進(jìn)行解讀,然而那個(gè)球體是如此巨大,內(nèi)部之復(fù)雜幾乎讓人摸不著頭緒,因而至今也沒有清晰準(zhǔn)確的太陽模型和運(yùn)作機(jī)制。太陽——太陽系里唯一的恒星,其溫度由內(nèi)向外變高太陽如同神靈一般主宰著太陽系。它是太陽系里唯一的恒星,是太陽系的中心天體。太陽系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天體以及星際塵埃等,都圍繞著太陽運(yùn)行即公轉(zhuǎn),并從它那里獲得光和熱。太陽非常大,直徑大約是139萬公里,相當(dāng)于地球直徑的109倍;體積大約是地球的130萬倍。從化學(xué)組成來看,現(xiàn)在太陽質(zhì)量的大約四分之三是氫,剩下的幾乎都是氦,包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質(zhì)量少于2%,采用核聚變的方式向太空釋放光和熱。太陽從中心向外可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流層和大氣層。由于太陽外層氣體的透明度極差,人類能夠直接觀測到的是太陽大氣層,從內(nèi)向外分為光球、色球和日冕3層。光球表面另一種著名的活動(dòng)現(xiàn)象便是太陽黑子。黑子是光球?qū)由系木薮髿饬餍郎u,大多呈現(xiàn)近橢圓形,在明亮的光球背景反襯下顯得比較黑暗,但實(shí)際上它們的溫度高達(dá)4000攝氏度左右,倘若能把黑子單獨(dú)取出,一個(gè)大黑子便可以發(fā)出相當(dāng)于滿月的光芒。緊貼光球以上的一層大氣稱為色球?qū)?,平時(shí)不易被觀測到,過去這一區(qū)域只是在日全食時(shí)才能被看到。日常生活中,一般離熱源越遠(yuǎn)處溫度越低,而太陽大氣的情況卻截然相反,光球頂部接近色球處的溫度差不多是4300攝氏度,到了色球頂部溫度竟高達(dá)幾萬攝氏度,再往上,到了日冕區(qū)溫度陡然升至上百萬攝氏度。人們對這種反常增溫現(xiàn)象感到疑惑不解,至今也沒有找到確切的原因。圖注:太陽結(jié)構(gòu)帕克——身負(fù)防熱“盾牌”第一個(gè)飛入日冕的探測器,比以往任何一個(gè)航天器都更接近太陽自60年代以來, 世界各國發(fā)射了許多太陽探測器,如前蘇聯(lián)的質(zhì)子號(hào)、宇宙號(hào)衛(wèi)星,美國的太陽神號(hào)、先驅(qū)者號(hào)、旅行者號(hào)探測器等,都肩負(fù)觀測太陽的使命。1990年10月6日, 美國發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)將尤利西斯號(hào)太陽探測器送入太空,把對太陽的探測活動(dòng)推向一個(gè)新的階段。通過研究“尤利西斯”號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù),研究人員大大擴(kuò)展了對由帶電粒子組成的太陽風(fēng)的認(rèn)識(shí)。圖片來源:NASA官網(wǎng)美國宇航局(NASA)2017年5月31日在芝加哥大學(xué)威廉?埃克哈特研究中心宣布,將于2018年8月發(fā)射一個(gè)高約3米、身穿12厘米厚碳復(fù)合保護(hù)罩的太陽探測器——帕克太陽探測器。不同于歷史上的任何航天器,它將直接飛入太陽外層大氣層日冕所在軌道上,探索和觀測太陽外部,了解太陽風(fēng)。它可承受高達(dá)1400攝氏度的熾熱和輻射,這個(gè)溫度鋼鐵都要快融化了。它在最靠近太陽的地方(距離太陽表面僅616萬公里)會(huì)以每小時(shí)72萬公里的速度飛行,這將是人類探測器首次如此近距離接觸太陽。根據(jù)最近一次日程調(diào)整,帕克探測器預(yù)計(jì)會(huì)在8月11日發(fā)射(時(shí)間仍有可能繼續(xù)調(diào)整)。這將是一個(gè)歷史性的任務(wù),是人類探測器有史以來首次進(jìn)入太陽的大氣層(或日冕),比以往任何一個(gè)航天器都更接近太陽。該探測器大概需要近7年時(shí)間,經(jīng)過七次金星借力飛行才能抵達(dá)最后的軌道。帕克探測器的主要科學(xué)目標(biāo)是了解太陽風(fēng)如何加速,以及日冕極端高溫的原因。這些都是很重要的科學(xué)和太空探測問題。太陽會(huì)周期性地產(chǎn)生耀斑,并伴隨著日冕物質(zhì)拋射事件,此時(shí)太陽表面會(huì)釋放大量物質(zhì)和電磁輻射進(jìn)入太空,危險(xiǎn)的帶電粒子可能會(huì)在整個(gè)太陽系產(chǎn)生影響。帕克探測器能夠如此近距離探測太陽,歸功于它的高超熱防護(hù)功能。防護(hù)罩位于用鈦框架構(gòu)造的大型散熱器的頂部。在航天器飛往太陽表面的過程中,這種結(jié)構(gòu)使太空船的有效載荷始終保持在陰涼黑暗的陰影中。實(shí)際上,設(shè)計(jì)這艘飛船的科學(xué)家和工程師更關(guān)心的是,航天器上的科學(xué)儀器和設(shè)備在任務(wù)期間會(huì)凍結(jié)而不是融化。為了避免這種情況,這些儀器和設(shè)備的外部都用熱毯包裹,并與單獨(dú)的太陽能加熱器配對。這些儀器保持在約28攝氏度的舒適溫度。圖片來源:JHU APLNASA第一次以健在人物命名航天器帕克太陽探測器用以紀(jì)念太陽風(fēng)科學(xué)的先驅(qū)、芝加哥大學(xué)名譽(yù)教授、天文學(xué)家尤金?帕克,這是NASA第一次以健在人物命名航天器。1958年帕克發(fā)表了一篇論文,叫做《行星際氣體和磁場的動(dòng)力學(xué)》。講的是超聲速太陽風(fēng)理論,挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)國際上的權(quán)威觀點(diǎn)。但他始終堅(jiān)持自己的理論,后來借助1962年成功進(jìn)行的金星探測任務(wù):水手2號(hào)采集到的數(shù)據(jù),他的理論最終被證實(shí)是正確的。NASA指出,近距離探測太陽,將回答一些長期以來困擾著天文學(xué)家的難題,有助于揭示太陽的運(yùn)行機(jī)制,了解太陽與行星、地球的關(guān)系,提高人類預(yù)測太空天氣的能力,改善會(huì)影響地球生命的主要天氣事件,以及協(xié)助太空衛(wèi)星和航天員的觀測。作者| 錢航 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心博士 現(xiàn)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部型號(hào)設(shè)計(jì)師責(zé)編| 曾丹文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”圖片:NASA官網(wǎng)https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-images