帕克走了,但帕克号依然向着太阳前进

日期:2022-03-30 09:51

  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。

  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(NASA)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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

 

来源:科技日报