NASA 的帕克太陽探測器為破紀錄的聖誕節前夜飛掠做準備

帕克太陽探測器將在聖誕節前夜掠過太陽表面上方僅 610 萬公里的地方。科學家們對我們可能學到的東西感到興奮

A solar prominence is seen towering over the surface of the sun

太陽耀斑開始分解,它高聳在太陽表面之上。

太陽動力學天文臺/NASA

編者注(12/27/24):NASA 帕克太陽探測器的任務控制人員宣佈該航天器向地球發回了預先計劃的信標音,表明其健康狀況良好且執行正常——確認帕克號已成功完成其破紀錄的飛掠。

在太陽系中有一些地方是人類永遠無法到達的。金星表面,有著濃厚的大氣層和巨大的壓力,幾乎是無法進入的。外圍世界,如冥王星,距離太遠,目前只能考慮進行機器人探索。而太陽,我們明亮的燃燒著的氫和氦氣球,太熱且動盪,宇航員無法近距離接近。作為替代,一位勇敢的機器人探險家帕克太陽探測器一直在進行一系列戲劇性的飛掠我們的恆星,比以往任何航天器都更接近,以解鎖它的秘密。現在它即將進行最後、最接近的飛掠,以前所未有的方式掠過太陽大氣層內部。

馬里蘭州約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室 (JHUAPL) 的太空任務設計師郭豔萍說:“這是一個重要的時刻。” “在太空探索的 60 年裡,太陽一直是到達最困難的目的地。”


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。


在 12 月 24 日聖誕節前夜,帕克號將飛掠太陽表面上方僅 610 萬公里處,或距離太陽中心 9.86 個太陽半徑處,比水星繞恆星執行的距離近十倍,並且是三次極近距離飛掠中的第一次。它將以驚人的 690,000 公里/小時的速度這樣做,比歷史上任何航天器都快(儘管仍然只達到光速的 0.064%)。在飛掠期間,帕克號的速度將快到足以在不到兩秒鐘內從倫敦到達巴黎;它的速度將非常快,以至於時間膨脹框架拖曳等相對論效應可能會在航天器的儀器上記錄下來。

航天器將飛過太陽的大氣層,即日冕,在那裡,關於我們恆星的最大疑問仍然存在,包括為什麼日冕比太陽表面熱得多,以及太陽風是如何加速的。雖然其他航天器以前也研究過太陽,但只有帕克號如此接近。“沒有先例,”NASA 科學任務理事會前副局長托馬斯·祖布臣說。“這真是一項探索性任務。”

正是祖布臣以已故美國太陽物理學家尤金·帕克的名字命名了該航天器,他在 1950 年代預測了太陽風的存在。這項任務於2018 年發射,是數十年研究如何“觸控”太陽的結晶。JHUAPL 太空部門首席科學家拉爾夫·麥克納特說,接近我們的恆星出奇地困難,因為要朝它墜落,你需要“抵消地球的軌道速度”。科學家們長期以來認為,最好的方法是飛往木星,然後利用這顆氣體巨星的引力向太陽俯衝。這樣的任務將使你非常接近,僅距離太陽半徑四個單位,但代價是極其困難且耗時,可能只給你一到兩次接近太陽的機會,軌道週期接近五年。

2007 年,郭豔萍提出,可以多次飛掠金星,將航天器帶到類似的,如果稍微遠一點的近距離,但額外的好處是在幾年內進行數十次飛掠,軌道週期略低於三個月。“要求是足夠接近以採集太陽日冕內部的樣本,”郭豔萍說。“我發現你可以使用七次金星飛掠。” 最後一次飛掠發生在 11 月 6 日,航天器掠過金星表面上方 387 公里處。從那時起,它就一直在它的軌道上,這將使其比過去六年中的前 21 次飛掠中的任何一次都更接近太陽;它上次在 9 月份的太陽飛掠大約在一百萬公里之外,或 10.4 個太陽半徑之外。

帕克號攜帶了四種儀器來研究太陽。這包括一臺用於拍攝我們的恆星及其周圍環境的相機,一種測量電場和磁場的工具,以及另外兩種用於研究淋浴航天器的太陽粒子和等離子體。在迄今為止的任務過程中,帕克號幫助發現太陽表面上的磁場可能將熱量驅動到日冕中,並且發現來自太陽的粒子比預期的要多。這些結果很大程度上來自帕克號成功穿透並穿過太陽日冕,這首次發生在 2021 年 4 月。

這些最新的飛掠將使航天器更深入日冕,儘管沒有達到太陽風被認為達到音速的太陽半徑四單位附近的超音速閾值。即使從帕克號相對遙遠的約 10 個太陽半徑的視角來看,科學家們也希望更多地瞭解太陽風,特別是是什麼導致了它的“快”(高達 800 公里/秒)和“慢”(低至 300 公里/秒)兩種型別之間的差異。“我們認為快太陽風來自日冕洞,而慢太陽風可能來自這些洞的邊界,”英國諾森比亞大學的太陽科學家斯蒂芬·亞德利說。“但這仍然是我們正在爭論的問題。” 這個過程還可以告訴我們更多關於太空天氣是如何在地球上產生的,因為太陽風會傳播到我們的星球。“我們越接近產生太空天氣的粒子源區域,我們就學到越多,”NASA 華盛頓特區總部科學任務理事會太陽物理學部門主任約瑟夫·韋斯特萊克說。

還有人希望帕克號在太陽爆發期間飛過太陽。太陽現在正處於所謂的太陽極大期,這是我們恆星 11 年活動週期中的動盪高峰期。這增加了幸運地及時爆發沐浴航天器的機會,這種情況至少發生過一次。“我們希望我們將收集更多非常接近太陽的此類事件,”天體物理學家兼帕克號在 JHUAPL 的專案科學家努爾·拉瓦菲說,“因為我們需要了解耀斑和日冕物質拋射等事件如何將粒子加速到相對論速度。” 帕克號還可能遇到一個無塵區,這是一個假設的靠近太陽的區域,來自太陽系周圍的碎片向內漂移“被汽化”,JHUAPL 帕克號系統工程師約翰·維爾茨伯格說。“隨著我們越來越接近,我們已經看到了一些跡象。”

這次的行動從 12 月 20 日開始,屆時航天器將達到地球-太陽距離的 0.25 倍。在這裡,為了準備俯衝,航天器將首先向地球傳送一個短的信標音,確認其健康狀況良好。為了在近距離透過和隨之而來的強烈條件下生存,帕克號必須將其大部分硬體隱藏在碳複合材料隔熱罩後面。這種隔熱罩非常有效,儘管溫度達到約 1,000 攝氏度,但其後面的航天器儀器仍保持在“基本上室溫”,維爾茨伯格說。

航天器及其隔熱罩的定位,以及最大限度地提高資料返回的願望,意味著航天器在這次透過期間無法與地球通訊。它完全自主飛行,極其輕微地改變其位置以跟蹤太陽的運動,保持隔熱罩精確地指向恆星的方向,以產生一個錐形陰影,完全包圍其珍貴的儀器。在飛掠期間,帕克號唯一能看到太陽的其他部分將是一小片太陽能電池板,它們塞在航天器的側面,以從我們恆星的巨大輻射中產生電力。

與太陽的整個遭遇將持續約一週,航天器在聖誕節前夜美國東部時間上午 6:40 左右到達其最近點。如果您能夠在這裡生存下來並避免太陽壓倒性的光線造成的瞬間失明——比從地球上看到的強度高 500 倍——我們的恆星將在您的視野中呈現為一個巨大的圓盤,比我們星球天空中滿月大 22 倍。“它會佔據你面前的很大一部分空間,”拉瓦菲說。帕克號的相機指向側面,將觀察流經周圍日冕的粒子軌跡,而其其他儀器則收集其重要資料。但究竟他們會看到什麼,誰也猜不到。“我們真的不知道,”祖布臣說。

團隊要到 12 月 27 日才知道飛掠是否成功,屆時航天器將在返回的途中到達 35 個太陽半徑處,並向地球發回另一個信標音,宣佈其生存。然後,團隊將準備從元旦開始接收航天器的寶貴資料,這些資料將在未來幾周和幾個月內涓涓細流般地返回。在三月份,帕克號將再次重複這一切,屆時它將再次在近距離飛掠太陽,然後在六月份進行另一次,也是最後一次近距離飛掠。遙遠的木星的引力將使這兩次稍後的飛掠在技術上更接近太陽——每次近約 100 公里,這對於帕克號和我們恆星之間數百萬公里的距離來說只是一個舍入誤差。實際上,聖誕節前夜的飛掠將是帕克號有史以來最接近太陽的一次。

這些近距離遭遇的結束也將標誌著航天器主要任務的結束,但它可能會被延長。例如,帕克號可以留在其當前軌道上,以監測太陽極大期減弱的影響。“觀看這種衰退將是令人驚奇的,”韋斯特萊克說,因為預計在此期間會發生許多大型太陽事件。航天器還可以開始使用其剩餘燃料進入更傾斜的軌道,將自己踢出大多數行星旋轉的黃道面,以獲得略有不同的太陽檢視並窺視其極地區域,儘管代價是飛行距離稍遠。“我們希望保持非常接近太陽,”拉瓦菲說。

無論任務結果如何,帕克號收集的資料都將被研究多年。“這是人類有史以來最接近恆星的一次,”韋斯特萊克說——這個紀錄在可預見的未來不太可能被打破。

© .