编者注(12/27/24):NASA 帕克太阳探测器的任务控制人员宣布该航天器向地球发回了预先计划的信标音,表明其健康状况良好且运行正常——确认帕克号已成功完成其破纪录的飞掠。
在太阳系中有一些地方是人类永远无法到达的。金星表面,有着浓厚的大气层和巨大的压力,几乎是无法进入的。外围世界,如冥王星,距离太远,目前只能考虑进行机器人探索。而太阳,我们明亮的燃烧着的氢和氦气球,太热且动荡,宇航员无法近距离接近。作为替代,一位勇敢的机器人探险家帕克太阳探测器一直在进行一系列戏剧性的飞掠我们的恒星,比以往任何航天器都更接近,以解锁它的秘密。现在它即将进行最后、最接近的飞掠,以前所未有的方式掠过太阳大气层内部。
马里兰州约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 (JHUAPL) 的太空任务设计师郭艳萍说:“这是一个重要的时刻。” “在太空探索的 60 年里,太阳一直是到达最困难的目的地。”
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在 12 月 24 日圣诞节前夜,帕克号将飞掠太阳表面上方仅 610 万公里处,或距离太阳中心 9.86 个太阳半径处,比水星绕恒星运行的距离近十倍,并且是三次极近距离飞掠中的第一次。它将以惊人的 690,000 公里/小时的速度这样做,比历史上任何航天器都快(尽管仍然只达到光速的 0.064%)。在飞掠期间,帕克号的速度将快到足以在不到两秒钟内从伦敦到达巴黎;它的速度将非常快,以至于时间膨胀和框架拖曳等相对论效应可能会在航天器的仪器上记录下来。
航天器将飞过太阳的大气层,即日冕,在那里,关于我们恒星的最大疑问仍然存在,包括为什么日冕比太阳表面热得多,以及太阳风是如何加速的。虽然其他航天器以前也研究过太阳,但只有帕克号如此接近。“没有先例,”NASA 科学任务理事会前副局长托马斯·祖布臣说。“这真是一项探索性任务。”
正是祖布臣以已故美国太阳物理学家尤金·帕克的名字命名了该航天器,他在 1950 年代预测了太阳风的存在。这项任务于2018 年发射,是数十年研究如何“触摸”太阳的结晶。JHUAPL 太空部门首席科学家拉尔夫·麦克纳特说,接近我们的恒星出奇地困难,因为要朝它坠落,你需要“抵消地球的轨道速度”。科学家们长期以来认为,最好的方法是飞往木星,然后利用这颗气体巨星的引力向太阳俯冲。这样的任务将使你非常接近,仅距离太阳半径四个单位,但代价是极其困难且耗时,可能只给你一到两次接近太阳的机会,轨道周期接近五年。
2007 年,郭艳萍提出,可以多次飞掠金星,将航天器带到类似的,如果稍微远一点的近距离,但额外的好处是在几年内进行数十次飞掠,轨道周期略低于三个月。“要求是足够接近以采集太阳日冕内部的样本,”郭艳萍说。“我发现你可以使用七次金星飞掠。” 最后一次飞掠发生在 11 月 6 日,航天器掠过金星表面上方 387 公里处。从那时起,它就一直在它的轨道上,这将使其比过去六年中的前 21 次飞掠中的任何一次都更接近太阳;它上次在 9 月份的太阳飞掠大约在一百万公里之外,或 10.4 个太阳半径之外。
帕克号携带了四种仪器来研究太阳。这包括一台用于拍摄我们的恒星及其周围环境的相机,一种测量电场和磁场的工具,以及另外两种用于研究淋浴航天器的太阳粒子和等离子体。在迄今为止的任务过程中,帕克号帮助发现太阳表面上的磁场可能将热量驱动到日冕中,并且发现来自太阳的粒子比预期的要多。这些结果很大程度上来自帕克号成功穿透并穿过太阳日冕,这首次发生在 2021 年 4 月。
这些最新的飞掠将使航天器更深入日冕,尽管没有达到太阳风被认为达到音速的太阳半径四单位附近的超音速阈值。即使从帕克号相对遥远的约 10 个太阳半径的视角来看,科学家们也希望更多地了解太阳风,特别是是什么导致了它的“快”(高达 800 公里/秒)和“慢”(低至 300 公里/秒)两种类型之间的差异。“我们认为快太阳风来自日冕洞,而慢太阳风可能来自这些洞的边界,”英国诺森比亚大学的太阳科学家斯蒂芬·亚德利说。“但这仍然是我们正在争论的问题。” 这个过程还可以告诉我们更多关于太空天气是如何在地球上产生的,因为太阳风会传播到我们的星球。“我们越接近产生太空天气的粒子源区域,我们就学到越多,”NASA 华盛顿特区总部科学任务理事会太阳物理学部门主任约瑟夫·韦斯特莱克说。
还有人希望帕克号在太阳爆发期间飞过太阳。太阳现在正处于所谓的太阳极大期,这是我们恒星 11 年活动周期中的动荡高峰期。这增加了幸运地及时爆发沐浴航天器的机会,这种情况至少发生过一次。“我们希望我们将收集更多非常接近太阳的此类事件,”天体物理学家兼帕克号在 JHUAPL 的项目科学家努尔·拉瓦菲说,“因为我们需要了解耀斑和日冕物质抛射等事件如何将粒子加速到相对论速度。” 帕克号还可能遇到一个无尘区,这是一个假设的靠近太阳的区域,来自太阳系周围的碎片向内漂移“被汽化”,JHUAPL 帕克号系统工程师约翰·维尔茨伯格说。“随着我们越来越接近,我们已经看到了一些迹象。”
这次的行动从 12 月 20 日开始,届时航天器将达到地球-太阳距离的 0.25 倍。在这里,为了准备俯冲,航天器将首先向地球发送一个短的信标音,确认其健康状况良好。为了在近距离通过和随之而来的强烈条件下生存,帕克号必须将其大部分硬件隐藏在碳复合材料隔热罩后面。这种隔热罩非常有效,尽管温度达到约 1,000 摄氏度,但其后面的航天器仪器仍保持在“基本上室温”,维尔茨伯格说。
航天器及其隔热罩的定位,以及最大限度地提高数据返回的愿望,意味着航天器在这次通过期间无法与地球通信。它完全自主飞行,极其轻微地改变其位置以跟踪太阳的运动,保持隔热罩精确地指向恒星的方向,以产生一个锥形阴影,完全包围其珍贵的仪器。在飞掠期间,帕克号唯一能看到太阳的其他部分将是一小片太阳能电池板,它们塞在航天器的侧面,以从我们恒星的巨大辐射中产生电力。
与太阳的整个遭遇将持续约一周,航天器在圣诞节前夜美国东部时间上午 6:40 左右到达其最近点。如果您能够在这里生存下来并避免太阳压倒性的光线造成的瞬间失明——比从地球上看到的强度高 500 倍——我们的恒星将在您的视野中呈现为一个巨大的圆盘,比我们星球天空中满月大 22 倍。“它会占据你面前的很大一部分空间,”拉瓦菲说。帕克号的相机指向侧面,将观察流经周围日冕的粒子轨迹,而其其他仪器则收集其重要数据。但究竟他们会看到什么,谁也猜不到。“我们真的不知道,”祖布臣说。
团队要到 12 月 27 日才知道飞掠是否成功,届时航天器将在返回的途中到达 35 个太阳半径处,并向地球发回另一个信标音,宣布其生存。然后,团队将准备从元旦开始接收航天器的宝贵数据,这些数据将在未来几周和几个月内涓涓细流般地返回。在三月份,帕克号将再次重复这一切,届时它将再次在近距离飞掠太阳,然后在六月份进行另一次,也是最后一次近距离飞掠。遥远的木星的引力将使这两次稍后的飞掠在技术上更接近太阳——每次近约 100 公里,这对于帕克号和我们恒星之间数百万公里的距离来说只是一个舍入误差。实际上,圣诞节前夜的飞掠将是帕克号有史以来最接近太阳的一次。
这些近距离遭遇的结束也将标志着航天器主要任务的结束,但它可能会被延长。例如,帕克号可以留在其当前轨道上,以监测太阳极大期减弱的影响。“观看这种衰退将是令人惊奇的,”韦斯特莱克说,因为预计在此期间会发生许多大型太阳事件。航天器还可以开始使用其剩余燃料进入更倾斜的轨道,将自己踢出大多数行星旋转的黄道面,以获得略有不同的太阳视图并窥视其极地区域,尽管代价是飞行距离稍远。“我们希望保持非常接近太阳,”拉瓦菲说。
无论任务结果如何,帕克号收集的数据都将被研究多年。“这是人类有史以来最接近恒星的一次,”韦斯特莱克说——这个纪录在可预见的未来不太可能被打破。