触摸太阳的飞船为什么没有被烫坏?

12月14日,美国宇航局(NASA)宣布,帕克太阳探测器抵近观测太阳,甚至触摸到温度高达90多万度的太阳大气,引起了广泛关注。

人类为什么要近距离观测太阳?什么材料制成的探测器能承受这么高的温度?到目前为止,帕克号有哪些科学发现?

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帕克号抵近太阳观测 (图片来源:NASA/Johns Hopkins APL)

一、人类为什么要近距离观测太阳?

太阳发出的光和热是地球上主要的能量来源。它对于地球的影响却并不止此。太阳还会发出名叫“太阳风”的高速等离子流吹拂地球,通常情况下太阳风的速度每秒300公里~800公里。

不过,太阳风的密度非常低,在地球附近的太阳风每立方厘米只有几个粒子,相比之下,每立方厘米的地表大气中的粒子个数超过1019。

太阳风偶尔也发生爆发,爆发时会发出的太阳风暴速度可以高达每秒2000公里,会严重影响地球附近的空间环境,损伤卫星器件和影响地面通信等。

关于太阳风的起源一直是一个谜。这个谜中最有意思的部分就是太阳神奇的温度分布。

我常常会说太阳就像一个油炸冰激凌。太阳表面的温度高达6000度,不过太阳周围的大气,也就是日冕温度更高,常常高达十几万,几十万甚至百万度。究竟什么导致了日冕加热至今仍然是一个谜。

关于太阳风的另一谜是太阳风会自己加速。太阳风在离开太阳,向外运动的同时会加速,就像一个会轻功的武林高手,不借助外力就能向上纵跳。刚刚出发的太阳风只有每秒几十公里,在经过了一段时间的运动后逐渐加速到每秒数百公里。

科学家的研究表明,太阳风加速的原因是因为太阳风加热,不过具体的加热机制仍然是一个谜。日冕加热和太阳风加速都是空间天气最前沿的难点问题,而这两个过程都发生在太阳附近,因此当然最好就是去抵近观测,看看究竟发生了什么。

那么问题来了……探测器怎么能承受太阳附近的高温?

二、如何应对高温?

太阳大气非常稀薄,喜玛拉雅山那么大的一团太阳大气,其重量不到一片羽毛的大小。尽管温度很高,能传递给探测器的热量却十分有限。同样温度的一大块冰和一小片冰在手上的感觉明显不同,道理是一样的。

不过,除了高温,帕克号飞船还面临一重考验,就是它需要应对超强辐射。帕克号距离太阳最近时,距离在20个太阳半径以内,当地的辐射强度超过地球附近辐射强度的100倍。因此,帕克太阳飞船进行了特殊的防热设计,在顶上带了一个特殊的隔热板。这个防热罩可以反射部分太阳辐射,同时还能耐几千度的高温,能保护后面的测量仪器的安全。

帕克飞船的隔热罩。白色的部分面对太阳,可以反射部分太阳辐射。(图片来源:NASA/Johns Hopkins APL)

三、有什么科学发现?

到目前为止,帕克号最大科学发现是发现了太阳附近的磁力线弯曲。磁场是空间环境研究的重要参数,因为在这么稀薄的情况下,绝大部分太阳大气都由带电粒子组成,而这些带电粒子运动都受到磁力线的约束。太阳风中的磁力线从太阳表面出发,向外延伸,最远可以抵达数百亿公里之外的太阳风边界。以往我们在地球附近只观测到少数回弯的磁力线。而帕克号在近日点附近观测发现了大量的磁力线回弯。产生回弯的原因到现在还是众说纷纭。这种磁力线的回弯与太阳风的起源紧密关联,其中的具体机制还有待进一步的研究。

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