發表日期 3/24/2022, 8:46:19 AM
來源:科技日報
帕剋號太陽探測器NASA
從人類生存及技術應用的角度來說,對太陽風性質的探究和對日冕物質拋射的預測,是人類進行空間活動的必然需求,也是人類理解生命起源,尋找地外生命的重要基礎。
◎實習記者 都 �M
美國著名太陽物理學傢尤金・帕剋於近日逝世,享年94歲。
帕剋是最早提齣並通過數學計算證明“太陽風”存在的天文學傢,對太陽物理學研究起到瞭奠基性作用。
2018年8月,以帕剋命名的太陽探測器發射升空,當時91歲的帕剋親臨發射現場觀看瞭此次發射,而這也使得帕剋號太陽探測器成為美國國傢航空航天局(NASA)曆史上第一個以在世科學傢命名的探測器。
如今,帕剋走瞭,但帕剋號依然嚮著太陽前進。
太陽風理論顛覆人們對太陽大氣認知
能夠“冠名”太陽探測器,帕剋對太陽領域的研究,究竟有著怎樣的貢獻?上世紀中葉,權威學者查普曼提齣的靜態太陽大氣理論成為當時的主流觀點。該理論認為,太陽大氣一方麵受到太陽超高溫度下形成的嚮外膨脹力的作用,另一方麵又受到太陽自身引力的作用,兩種力實現平衡,形成瞭太陽大氣的靜止狀態。
但也有科學傢提齣瞭不同看法,1956年德國科學傢路德維希・比爾曼通過觀察彗星“尾巴”的朝嚮指齣,彗星的一條“尾巴”之所以總是背嚮太陽,是由於彗星的揮發物受到瞭太陽上吹來的風的影響,被吹嚮瞭與太陽相反的方嚮,從而形成瞭彗尾。
這一學說在當時並未受到廣泛認可,美國芝加哥大學教授約翰・辛普森便認為該學說與權威理論相悖,於是他將驗證這一假說的任務交給瞭他的學生――尤金・帕剋。
當時還是研究生的帕剋便以查普曼的靜態太陽大氣理論為基礎,進行數學推導。但最終得齣的結果卻令他大為震驚。計算結果顯示,如果以靜態太陽大氣為條件,則在距離太陽無窮遠的地方,依然存在著巨大的太陽大氣壓強。這個明顯矛盾的結果讓帕剋意識到,查普曼的理論並不正確。再加之此前比爾曼提齣的假說,帕剋認為,太陽大氣不是靜止的,而是一直處於活躍狀態,並持續嚮外拋齣粒子。通過計算,帕剋指齣太陽大氣粒子在脫離太陽引力後會不斷加速,其在地球附近的速度可達到每秒數百公裏,帕剋將其命名為太陽風。
中國科學院國傢天文台懷柔太陽觀測基地主任鄧元勇介紹,帕剋的太陽風理論剛發錶時便顛覆瞭人們對靜態太陽大氣的認知,遭到瞭當時科學界的普遍質疑。但是在1962年,“水手2號”探測器在前往金星的過程中,對太陽進行瞭連續100多天的觀測,持續觀測到瞭速度高達400―700公裏/秒的帶電粒子流,全麵證實瞭太陽風的存在。人們終於認可瞭帕剋此前提齣的太陽風理論,而帕剋也當之無愧成為瞭太陽風研究的奠基人。
不僅如此,鄧元勇錶示,帕剋還在太陽磁重聯、太陽發電機理論等方麵,做齣瞭開創性的工作。尤其是他與天文學傢斯威特共同提齣瞭斯威特―帕剋磁重聯模型,首次給齣瞭磁重聯定量的數學描述,為此後建立更為嚴格的磁重聯理論奠定瞭基礎。而在太陽發電機理論方麵,帕剋提齣的科裏奧利力與對流區湍流耦閤理論,打破瞭此前托馬斯・考林提齣的發電機過程不能最終産生軸對稱的磁場,即發電機産生的磁場必須是三維的反發電機理論模型,推動瞭太陽發電機理論發展;並且他還將太陽發電機理論延伸、拓展到瞭星係磁場,推動瞭星係發電機理論的發展。
研究太陽是開展空間活動的必然需求
帕剋是太陽風之父,而帕剋號也承擔著研究太陽風,尤其是太陽風暴的任務。如果說正常狀態下的太陽風還稱得上是“微風和煦”,那麼能量大得多的太陽風暴則可以算是“狂風暴雨”瞭。在今年2月初,由太陽風暴引發的地磁暴,便有可能是SpaceX公司的40顆“星鏈”衛星未能升至預定軌道而宣告報廢原因之一。
太陽的“脾氣”陰晴不定、難以捉摸,但也並非完全不可預測。鄧元勇錶示,太陽高能粒子到達地球至少需要數小時,等離子雲到達地球則至少需要兩三天,所以目前人類已經可以對太陽風暴進行一定的預報。但他也指齣,僅靠目前的地麵裝置還無法對太陽風進行更為深入的研究,“實際觀測的太陽風速度要遠大於理論值,它是如何被加速的?太陽風中粒子溫度存在各嚮異性,又是如何形成的?這些重要的問題我們目前都還沒有定論。”
而相較於地麵設施,帕剋號太陽探測器最獨特的優勢,便是它能夠前所未有地接近太陽。“它距離太陽最近時僅約9個太陽半徑,相較於地麵觀測縮短瞭96%的距離。”中國科學院國傢天文台懷柔太陽觀測基地副研究員宋永亮錶示,憑藉這一無與倫比的優勢,帕剋號可以探測到初始太陽風的性質,研究太陽局地日冕磁場和粒子運動的耦閤,這是地麵及地球軌道探測器所不可比擬的。
宋永亮認為,從人類生存及技術應用的角度來說,對太陽風性質的探究和對日冕物質拋射的預測,是人類進行空間活動的必然需求,也是人類理解生命起源,尋找地外生命的重要基礎。而帕剋號太陽探測器也將在太陽磁場、等離子體、高能粒子、太陽風性質等方麵展開深入研究,幫助科學傢加深對太陽活動的認知。
太陽探測進入“觸摸式”時代
2021年12月,NASA發布消息稱,帕剋號太陽探測器已於2021年4月成功穿過太陽外層大氣,並對其進行瞭粒子和磁場采樣,這也是人類探測器首次成功進入太陽大氣。
科學傢普遍認為,在太陽大氣最外層存在著一個阿爾芬臨界麵,它標示著太陽大氣的終結和太陽風的開始。根據此前的研究估計,該臨界麵距離太陽錶麵在10到20個太陽半徑之間。穿過這個臨界麵,便意味著真正進入瞭太陽大氣。
在此次穿越中,帕剋號太陽探測器采取瞭循序漸進的策略,其首先圍繞著太陽“轉圈圈”,逐步接近太陽大氣外層;隨後,找準時機以每小時69.2萬公裏的超高速度飛行至距離太陽錶麵18.8個太陽半徑處;在這裏,帕剋號檢測到瞭特定的磁場和粒子條件,這意味著帕剋號正式進入瞭太陽大氣;隨後帕剋號又似穿針引綫般,反復進齣太陽大氣,在這一過程中,帕剋號發現阿爾芬臨界麵不是光滑的球形,它的錶麵有著起伏的峰榖,而將這些峰榖與太陽錶麵活動聯係起來進行研究,可以幫助科學傢瞭解太陽活動是如何影響太陽大氣和太陽風的。
在此次帕剋號進入太陽大氣之前,距離太陽最近的人造探測器是“太陽神2號”,其在1976年時曾抵達過距離太陽4273萬公裏處。而帕剋號之所以能夠和太陽來個前所未有的“親密接觸”,主要得益於其“夾心餅乾”結構的隔熱罩。該隔熱罩被安裝在探測器麵嚮太陽的一側,由厚度約為12厘米的碳復閤材料製成,具體結構為兩塊碳縴維麵闆之間夾著一層厚約11.4厘米的碳復閤泡沫材料。憑藉著這塊“夾心餅乾”的保護,隔熱罩麵嚮太陽的一側溫度高達約1371攝氏度,而隔熱罩的另一側則僅為29攝氏度。
按照計劃,帕剋號接下來將在2024年12月,逼近至距離太陽錶麵約616萬公裏處,有望再次打破它自己保持的人造探測器靠近太陽的極限距離。
用鄧元勇的話說,帕剋號太陽探測器正將人類對太陽的研究真正推入到“觸摸式”時代。