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帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

2022-04-04 11:11:46 作者:征骨岁月 浏览次数:43 字号: T T T

美国著名太阳物理学家尤金·帕克于近日逝世,享年94岁。帕克是最早提出并通过数学计算证明“太阳风”存在的天文学家,对太阳物理学研究起到了奠基性作用。

2018年8月,以帕克命名的太阳探测器发射升空,当时91岁的帕克亲临发射现场观看了此次发射,而这也使得帕克号太阳探测器成为美国国家航空航天局历史上第一个以在世科学家命名的探测器。

如今,帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进。

帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

太阳风理论颠覆人们对太阳大气认知

能够“冠名”太阳探测器,帕克对太阳领域的研究,究竟有着怎样的贡献?上世纪中叶,权威学者查普曼提出的静态太阳大气理论成为当时的主流观点。该理论认为,太阳大气一方面受到太阳超高温度下形成的向外膨胀力的作用,另一方面又受到太阳自身引力的作用,两种力实现平衡,形成了太阳大气的静止状态。

但也有科学家提出了不同看法,1956年德国科学家路德维希·比尔曼通过观察彗星“尾巴”的朝向指出,彗星的一条“尾巴”之所以总是背向太阳,是由于彗星的挥发物受到了太阳上吹来的风的影响,被吹向了与太阳相反的方向,从而形成了彗尾。

帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

这一学说在当时并未受到广泛认可,美国芝加哥大学教授约翰·辛普森便认为该学说与权威理论相悖,于是他将验证这一假说的任务交给了他的学生——尤金·帕克。

当时还是研究生的帕克便以查普曼的静态太阳大气理论为基础,进行数学推导。但最终得出的结果却令他大为震惊。计算结果显示,如果以静态太阳大气为条件,则在距离太阳无穷远的地方,依然存在着巨大的太阳大气压强。这个明显矛盾的结果让帕克意识到,查普曼的理论并不正确。再加之此前比尔曼提出的假说,帕克认为,太阳大气不是静止的,而是一直处于活跃状态,并持续向外抛出粒子。通过计算,帕克指出太阳大气粒子在脱离太阳引力后会不断加速,其在地球附近的速度可达到每秒数百公里,帕克将其命名为太阳风。

中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地主任邓元勇介绍,帕克的太阳风理论刚发表时便颠覆了人们对静态太阳大气的认知,遭到了当时科学界的普遍质疑。但是在1962年,“水手2号”探测器在前往金星的过程中,对太阳进行了连续100多天的观测,持续观测到了速度高达400—700公里/秒的带电粒子流,全面证实了太阳风的存在。人们终于认可了帕克此前提出的太阳风理论,而帕克也当之无愧成为了太阳风研究的奠基人。

不仅如此,邓元勇表示,帕克还在太阳磁重联、太阳发电机理论等方面,做出了开创性的工作。尤其是他与天文学家斯威特共同提出了斯威特—帕克磁重联模型,首次给出了磁重联定量的数学描述,为此后建立更为严格的磁重联理论奠定了基础。而在太阳发电机理论方面,帕克提出的科里奥利力与对流区湍流耦合理论,打破了此前托马斯·考林提出的发电机过程不能最终产生轴对称的磁场,即发电机产生的磁场必须是三维的反发电机理论模型,推动了太阳发电机理论发展;并且他还将太阳发电机理论延伸、拓展到了星系磁场,推动了星系发电机理论的发展。

研究太阳是开展空间活动的必然需求

帕克是太阳风之父,而帕克号也承担着研究太阳风,尤其是太阳风暴的任务。如果说正常状态下的太阳风还称得上是“微风和煦”,那么能量大得多的太阳风暴则可以算是“狂风暴雨”了。在今年2月初,由太阳风暴引发的地磁暴,便有可能是SpaceX公司的40颗“星链”卫星未能升至预定轨道而宣告报废原因之一。

帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

太阳的“脾气”阴晴不定、难以捉摸,但也并非完全不可预测。邓元勇表示,太阳高能粒子到达地球至少需要数小时,等离子云到达地球则至少需要两三天,所以目前人类已经可以对太阳风暴进行一定的预报。但他也指出,仅靠目前的地面装置还无法对太阳风进行更为深入的研究,“实际观测的太阳风速度要远大于理论值,它是如何被加速的?太阳风中粒子温度存在各向异性,又是如何形成的?这些重要的问题我们目前都还没有定论。”

而相较于地面设施,帕克号太阳探测器最独特的优势,便是它能够前所未有地接近太阳。“它距离太阳最近时仅约9个太阳半径,相较于地面观测缩短了96%的距离。”中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地副研究员宋永亮表示,凭借这一无与伦比的优势,帕克号可以探测到初始太阳风的性质,研究太阳局地日冕磁场和粒子运动的耦合,这是地面及地球轨道探测器所不可比拟的。

宋永亮认为,从人类生存及技术应用的角度来说,对太阳风性质的探究和对日冕物质抛射的预测,是人类进行空间活动的必然需求,也是人类理解生命起源,寻找地外生命的重要基础。而帕克号太阳探测器也将在太阳磁场、等离子体、高能粒子、太阳风性质等方面展开深入研究,帮助科学家加深对太阳活动的认知。

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太阳探测进入“触摸式”时代‍

2021年12月,NASA发布消息称,帕克号太阳探测器已于2021年4月成功穿过太阳外层大气,并对其进行了粒子和磁场采样,这也是人类探测器首次成功进入太阳大气。

科学家普遍认为,在太阳大气最外层存在着一个阿尔芬临界面,它标示着太阳大气的终结和太阳风的开始。根据此前的研究估计,该临界面距离太阳表面在10到20个太阳半径之间。穿过这个临界面,便意味着真正进入了太阳大气。

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在此次穿越中,帕克号太阳探测器采取了循序渐进的策略,其首先围绕着太阳“转圈圈”,逐步接近太阳大气外层;随后,找准时机以每小时69.2万公里的超高速度飞行至距离太阳表面18.8个太阳半径处;在这里,帕克号检测到了特定的磁场和粒子条件,这意味着帕克号正式进入了太阳大气;随后帕克号又似穿针引线般,反复进出太阳大气,在这一过程中,帕克号发现阿尔芬临界面不是光滑的球形,它的表面有着起伏的峰谷,而将这些峰谷与太阳表面活动联系起来进行研究,可以帮助科学家了解太阳活动是如何影响太阳大气和太阳风的。

帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

在此次帕克号进入太阳大气之前,距离太阳最近的人造探测器是“太阳神2号”,其在1976年时曾抵达过距离太阳4273万公里处。而帕克号之所以能够和太阳来个前所未有的“亲密接触”,主要得益于其“夹心饼干”结构的隔热罩。该隔热罩被安装在探测器面向太阳的一侧,由厚度约为12厘米的碳复合材料制成,具体结构为两块碳纤维面板之间夹着一层厚约11.4厘米的碳复合泡沫材料。凭借着这块“夹心饼干”的保护,隔热罩面向太阳的一侧温度高达约1371摄氏度,而隔热罩的另一侧则仅为29摄氏度。

按照计划,帕克号接下来将在2024年12月,逼近至距离太阳表面约616万公里处,有望再次打破它自己保持的人造探测器靠近太阳的极限距离。

用邓元勇的话说,帕克号太阳探测器正将人类对太阳的研究真正推入到“触摸式”时代。

审核:邓元勇

配图:宋永亮

责编:袁凤芳

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