有史以來離太陽最近且速度最快的飛行器——帕克太陽探測器

2020-12-05 騰訊網

自帕克太陽探測器（PSP）成功發射以來，距離它成為有史以來離一顆恆星最近的探測器也不過近1年而已。2019年，科學家們開始收集這些近距離採集到的數據。參加了在華盛頓特區舉行的美國地球科學協會的四位研究者分享了他們希望能從這次太陽探測任務中學到什麼。他們期望來自帕克太陽探測器的數據能幫助他們解決讓人困惑了數十年的有關太陽、日冕和太陽風的問題。

研究太陽的科學家們對此期待已久，這些等待是值得的。

「60多年來，太陽物理學家一直在等待這樣的任務成為可能。讓我們困惑已久的太陽之謎，答案可能就在日冕中。」——美國國家航天局總部太陽物理學部門的主任尼古拉·福克斯這樣說道。

帕克太陽探測器（PSP）與太陽的近距離接觸是令人激動的一個階段。2018年10月31日到11月11日期間，帕克太陽探測器成功完成了接近太陽的第一個階段，它加速通過了太陽外部的大氣層——日冕——並使用四套尖端儀器收集了前所未有的數據。帕克太陽探測器會環繞太陽公轉24次，在這個過程中將會完成24次飛掠太陽。在任務期間，探測器將藉助七次金星的引力彈弓效應慢慢接近太陽，逐漸縮短其環繞太陽的軌道。

每當探測器在飛掠階段處在位於太陽的0.25 天文單位以內時（天文單位是天文學中計量天體之間距離的一種單位。以A.U.表示，其數值取地球和太陽之間的平均距離），科學儀器將會收集數據。在此期間，探測器將暴露於極端高溫和輻射條件下，並且無法通信。只有在飛掠階段結束的時候，它才可以將數據發送回地球，以供物理學家研究。

「帕克太陽探測器為我們提供了必要的測量數據，幫助我們理解困擾了我們幾十年的太陽現象。」- 負責帕克太陽探測器項目的科學家勞阿非（Nour Raouafi）說，JHU/APL。

第一次飛掠太陽階段已經完成，儘管這次任務還有很多工作需要完成，項目的負責人在於華盛頓舉行的美國地球科學協會上分享了他們希望能從這次任務中學到的一些知識。

派克太陽探測器的WISPR（太陽探測器的廣域成像儀）儀器於2018年11月8日捕獲了這張太陽能冕流（Coronal streamer）的圖像。太陽能冕流是太陽大氣中日冕的太陽物質結構，通常覆蓋日冕區域太陽活動。太陽能冕流的精細結構非常清晰，至少可以看見兩條光線。靠近圖像中心的亮對象是水星，暗點是背景校正的結果。

來自：美國國家航天局 / 海軍研究實驗室 / 帕克太陽探測器

當帕克太陽探測器任務被設計出來的時候，科學家們想要解決關於太陽物理學的三個重要問題:

太陽的外部大氣，日冕，是如何將其溫度加熱至比其下方可見表面高300倍？

太陽風如何如此迅速地加速到我們所觀察到的高速？

太陽中最活躍的一些粒子如何以超過光速一半的速度從太陽上飛離？

「 帕克太陽探測器正在為我們提供，了解數十年來困擾我們的太陽現象所必不可少的測量結果，」位於馬裡蘭州勞雷爾約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的帕克太陽探測器項目科學家勞阿非（Nour Raouafi）這樣說道，「想要把所有線索連接起來，需要對日冕和年輕的太陽風進行本地採樣，而帕克太陽探測器正是這樣做的。」

帕克太陽探測器是有史以來離太陽最近的飛行器，所以科學家們對其所能採集到的數據並沒有準確的估計。他們知道自己希望從中得到什麼，但又並不確定所得的數據與其是否有關。

「在拿到具體的數據之前，我們並不知道探測器到底離太陽有多近，我們可能會發現一些前所未有的現象，」勞阿非說道，「帕克太陽探測項目的任務即是探索——擁有全新發現的潛在可能性是巨大的。」

來自帕克太陽探測器的報告表明，第一科學階段捕獲了質量數據。這部分是由於金星飛過的緣故，當時探測器能夠對金星進行一些測量，以驗證儀器是否正常工作。來自科學第一階段的一些數據已經被下載，但是太陽物理學家還需要等待才能得到所有的數據。由於任務帶來的諸多挑戰，來自這次相遇的一些科學數據直到2019年4月第二次與太陽相遇後才會向地面傳輸。

帕克太陽探測器並不是研究太陽的唯一太空飛行器。其他太空飛行器包括SOHO(太陽日球層觀測站)、SDO(太陽動力學觀測站)和STEREO-A(日地關係觀測臺前導衛星)。但它們都還沒有像帕克太陽探測器那樣接近太陽，儘管它們本身也在從事重要的科學研究。

「帕克太陽探測器正在向一個我們從未見過的地方前進，」泰瑞·庫切拉，一位來自位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的太陽物理學家說，「與其同時，我們能夠觀察到，太陽的日冕正在給探測器製造一個及其複雜的環境。

每一個研究太陽的飛行器都提供了不同的背景和視角，讓我們能看到不同的東西。帕克太陽探測器將在0.25天文單位以內飛行，而日地關係觀測衛星將在1天文單位左右繞太陽公轉。太陽動力學觀測站位於地球同步軌道上，太陽日球層觀測站位於太陽-地球拉格朗日1點周圍的暈圈軌道上。

庫切拉說:「日地關係觀測衛星的任務就是從不同的位置觀察日球圈，帕克太陽探測任務是其中的一部分，使得我們能以從未有過的角度進行測量。」

帕克太陽能探測器將建立或打破我們的現有模型

科學是漸進的，帕克太陽探測器項目的科學家們指出，即使我們不能直接得到問題的答案，對太陽運行模式的逐漸改進是帕克太陽探測器工作的一部分。

模型是檢驗有關太陽地基本物理理論的好方法。通過創建一個依賴於某種機制來解釋日冕加熱的模擬模型——例如，一種叫做阿爾芬波的等離子波——科學家們可以將模型的預測與帕克太陽探測器的實際數據進行對比，看看它們是否一致。如果結果一致，那就意味著理論是符合實際情況的。如果結果不一致，那就得從頭再來。

圖解：通過模型，可以將帕克太陽探測器測量到的數據與來自太陽的源數據連接起來。

賴利說:「我們已經成功地預測了日全食期間日冕的結構。帕克太陽能探測器將提供前所未有的數據，這將進一步限制模型和嵌入其中的理論。」

帕克太陽探測器破紀錄的速度對它的工作至關重要。

當我們從地球上看到太陽時，它大約每27天旋轉一次，而驅動其大部分活動的太陽結構也隨之移動。這給科學家們帶來了一個問題，因為他們不能確定他們所看到的變化是由產生活動的區域的實際變化所驅動的時間變化，還是僅是從一個新的來源區域接收到的太陽物質引起的空間變化。帕克太陽探測器的速度意味著它可以解決這個問題。

在某些時刻，帕克太陽探測器的速度快到幾乎與太陽的轉速完全一致，這意味著帕克在太陽的一個區域上空「盤旋」了很短的時間。科學家可以肯定，這一時期數據的變化是由太陽的實際變化，而不是太陽的自轉引起的。

帕克太陽探測器是NASA「與星同住」（LWS）計劃的一部分，該計劃旨在探索太陽-地球系統中直接影響生命和社會的各個方面。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. universetoday- Dotcalm

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