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可以進(jìn)入太陽的探測器有多厲害?美國科學(xué)再次刷新了世界觀


  來源: 宇宙與科學(xué) 時間:2021-12-16 編輯:清風(fēng)
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準(zhǔn)確來說,美國宇航局的帕克太陽探測器是超出我的想象,這絕對是人類工程奇跡,甚至可以與詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡齊名。我原本以為這只是一個普通的太陽探測器,幾十年前美國和歐洲都發(fā)射過類似的太陽探測器,但是……這篇文章我們直接切入正題,首先從帕克任務(wù)的難點開始。


1.太陽附近的環(huán)境非常惡劣,如果沒有足夠的安全熱保護(hù)系統(tǒng),航天器將無法生存,同時,帕克還必須兼顧輻射問題。輻射帶來的問題遠(yuǎn)比高溫更可怕,尤其是告訴太陽風(fēng)粒子的活躍,太陽就是太陽風(fēng)的起源,在太陽風(fēng)粒子起源的地方轉(zhuǎn)悠,被粒子擊中的可能性將大大增加。


2.接近太陽也非常困難,在接下來的內(nèi)容會具體講到。


帕克太陽探測器的主要任務(wù)就是對太陽日冕層粒子以及周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣,以揭示太陽日冕是如何被加熱的,太陽風(fēng)和太陽高能粒子是如何被加速的。50多年來,解決這些問題一直是恒星科學(xué)領(lǐng)域最重要的科學(xué)目標(biāo)。在為期七年的任務(wù)中,帕克需要進(jìn)行七次金星重力輔助加速,軌道異常復(fù)雜。不僅如此,帕克在巡航接近太陽的過程中還需要對太陽風(fēng)的所有三形態(tài)(慢、快和瞬態(tài))進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,因為太陽風(fēng)結(jié)構(gòu),磁場,粒子速度等等會隨著太陽活動的增加而日益復(fù)雜,美國宇航局在設(shè)計帕克軌道的時候就允許帕克對太陽高緯度太陽風(fēng)粒子和赤道太陽風(fēng)粒子進(jìn)行擴(kuò)展測量。


每個軌道有兩個周期,一個入站周期和一個出站周期,出站與入站統(tǒng)稱為快速徑向掃描,在這些稱為快速徑向掃描的時間間隔內(nèi),航天器將在多次“繪制”扇形區(qū)域,然后在規(guī)定的大徑向距離內(nèi)對太陽風(fēng)進(jìn)行采樣。這些測量將產(chǎn)生更多關(guān)于太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)對空間和時間依賴性以及它們?nèi)绾卧趦?nèi)日光層中合并的信息。


為了通過獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)來回答地球軌道衛(wèi)星和其他行星際空間探測器觀測無法回答的問題,帕克太陽探測器必須足夠的接近太陽,這也是帕克和之前的太陽探測器最大的不同。想要接近太陽,畫好軌道,7次金星重力輔助還不夠,還有一個關(guān)鍵單位也必須達(dá)標(biāo)——速度,這也是為什么帕克太陽探測器飛行速度這么快的原因,帕克是目前最快的人造探測器,甚至超越了新視野號和旅行者系列探測器。


另外我看到大家經(jīng)常把帕克和美國與歐洲一起合作的另一個太陽任務(wù)搞混,太陽軌道探測器和帕克這兩項任務(wù)都是仔細(xì)地觀察太陽外層日冕結(jié)構(gòu)的探測器。我們知道地球上看,日冕只有在日全食時才可見,那時月亮擋住了太陽最強烈的光線,露出了外層大氣的纖細(xì)、珍珠般的白色結(jié)構(gòu)。


但是其實日冕并不像日全食時看起來那么微妙,日冕的許多行為都是不可預(yù)測的,帕克和太陽軌道探測器將一個遠(yuǎn),一個近的探索太陽日冕層。這次帕克發(fā)現(xiàn)太陽日冕的帶電氣體是由一系列物理定律驅(qū)動的,這些定律我們在地球上無法實驗。之前的一篇半專業(yè)文章為大家梳理了之前美國宇航局太陽任務(wù)發(fā)現(xiàn)的“之”字形太陽風(fēng)磁場和S字形太陽風(fēng)磁場,美國宇航局科學(xué)家們一直在研究讓帶電粒子和讓磁場跳舞扭曲的細(xì)節(jié),知道這個可以幫助我們理解兩個關(guān)鍵問題:是什么使日冕比太陽表面熱得多,是什么驅(qū)使太陽風(fēng)粒子不斷地以如此高的速度涌出。


美國宇航局科學(xué)家解釋說:“帕克太陽探測器和太陽軌道器采用不同的技術(shù),但作為任務(wù),它們是互補的。他們將同時拍攝太陽日冕的照片,他們將看到一些相同的結(jié)構(gòu),在太陽兩極發(fā)生了什么,在赤道上這些相同的結(jié)構(gòu)看起來像什么。”


帕克代表人類,進(jìn)入太陽日冕層,這不僅僅是一次突破,更代表著人類科學(xué)文明的最高水平,為什么這么說呢?讓我們?nèi)蝿?wù)難點,看看帕克太陽探測器本身。和詹姆斯韋伯一樣,帕克本身的存在就是藝術(shù)品,帕克一共攜帶了4套科學(xué)儀器,13個科學(xué)載荷,我只為大家介紹其中的一些,因為全都寫完的話太長了,也太多了,美國宇航局任務(wù)介紹寫的都沒我長……


首先是SWEAP,SPC(法拉第杯)和SPAN(太陽探頭分析儀)組成了SWEAP。法拉第杯不需要遮陽板的保護(hù),它可以直接觀察航天器周圍的環(huán)境,并實時快速測量太陽風(fēng)的整體特性。SPAN是航天器隔熱罩后面的一組三個ESA靜電分析儀,用于詳細(xì)測量離子和電子的三維速度分布函數(shù)。SPAN在航天器總線的兩側(cè)分為兩個模塊。SPAN-A位于航天器的右側(cè),具有離子和電子ESA分析模塊,而SPAN-B位于航天器的左側(cè),具有綜合系統(tǒng)ESA。SPAN-A、SPAN-B這兩個科學(xué)儀器有很多功能,比如它可以分析電子俯仰角分布、力矩,分析離子力矩,它還擁有全3D電子速度軟件功能,全三維離子速度分布函數(shù)分析功能,質(zhì)子體積分析功能,VDF 2D離子建模分析儀等等。


關(guān)鍵詞:航天器 帕克太陽探測器 科學(xué)儀器    瀏覽量:3706

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