触摸太阳
美国宇航局的下一次太阳探测任务——“帕克太阳探测”，将是有史以来最接近太阳的探测任务。美国宇航局2017年5月31日宣布，原名“太阳探测附加”的任务已改名为“帕克太阳探测”任务（以下简称帕克任务），以此对美国芝加哥大学天体物理学家尤金·帕克表示敬意。
早在1958年，帕克就预测了太阳风（太阳风是源自太阳大气层的带电粒子流，这些粒子以每小时好几百万千米的速度喷发，一路流到冥王星轨道外很远的地方）的存在。在1958年发表的一篇论文中，帕克描述了太阳怎样以高速物质、磁性和等离子体的形式喷发能量。从那以后，实际观测证实了帕克在这篇论文中的描述，帕克的这一论文由此奠定了恒星与其行星系统之间关系的基石。美国宇航局已经采用了大约20个人名来命名其太空探测任务，其中最有名的也许是“哈勃太空望远镜”。但现年89岁的帕克是被以此方式致敬的首位在世科学家。
“帕克号太阳探测器”（以下简称帕克号）的前身是20世纪90年代设想的“太阳轨道器”，这两者的设计与目标几乎同出一辙。“太阳轨道器”任务是美国宇航局“外行星/太阳轨道器”（简称OPSP）方案的核心部分之一。该方案的前3项任务计划分别是“太阳轨道器”“冥王星快车”（冥王星和柯伊伯带勘测任务）及“欧罗巴轨道器”（聚焦木卫二即欧罗巴的天体生物学任务）。但随着欧克飞被任命为美国宇航局局长，整个OPSP方案都因为2003年的美国预算问题而被取消。这一取消还造成“新地平线号”任务也被取消，该任务原本是作为“冥王星快车”的替代任务。经过繁琐冗长的政治纷争，“新地平线号”终于获得经费，在2006年发射。21世纪10年代初，“太阳探测附加”任务终于获准。在此之前，美国约翰·霍普金斯大学“应用物理实验室”于2008年5月1日宣布，它将设计、建造太阳探测器，并计划于2015年发射。最终，发射时间被推后到2018年。
帕克任务最初开始构想实际上是在1958年，即美国宇航局成立那一年。但直到今天，才具备了发射探测器近距离观测太阳的技术条件。早期的“太阳探测器”任务设想是，使用木星引力援助机动，抵消探测器从地球发射而来的轨道速度，以便把探测器投送到靠近太阳的轨道。帕克任务的设计简化了这一轨道，改为使用在金星的重复引力援助，逐渐降低探测器轨道近日点距离，最终让探测器距离太阳约8.5个太阳半径，即不到600万千米。
帕克任务投资高达15亿美元。2018年7月或8月（从7月31日起，有一个为期20天的发射窗口），在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心，帕克号将由“德尔塔四型”重型火箭发射升空。在之后7年里，帕克号将24次飞近太阳，其中多次将飞到距离太阳表面不到600万千米的地方。科学家说，从太空意义上说，这已算是“触摸”太阳。这样的距离比水星还靠近太阳得多。
帕克号飞近太阳当中的7次，将比有史以来的其他任何探测器都更接近太阳表面。在此之前，飞得最靠近太阳的飞行器是美国和德国合作的“赫利俄斯2号”。1976年，它从距离太阳4343万千米的地方飞过。帕克说，帕克号将进入此前从未被探索过的区域，能让我们更详尽测量太阳风发源地的内部情况，这无疑将带来一些惊喜，因为太阳总是带给我们惊喜。
还值得一提的是，当帕克号近距离环绕太阳时，它的速度将达到每秒200千米，这将是人造物体达到的最大速度，也是目前这一速度的保持者——“赫利俄斯2号”的速度的差不多3倍。按照这一速度，从美国首都华盛顿到美国费城只需1秒钟。
在接近太阳表面的区域内，环境条件自然是非常极端的：在距离太阳最近时，3米宽的帕克号预计将耐受1370℃的高温，以及比地球上的强度高520倍的太阳辐射。帕克任务的一个重要设计，是运用一面太阳阴影盾（防热罩），让帕克号能在太阳附近的严苛环境中存活下来。防热罩位于帕克号正前方，由强化碳-碳复合材料制成。帕克号的飞行器和科学仪器都位于防热罩背后的阴影中，太阳光完全照不到它们。因为帕克号的轨道是很扁的椭圆，有时候帕克号距离太阳很近，有时候帕克号又回到金星轨道位置，所以防热罩不仅必须耐受超高温，而且必须忍受很大的温差而不至于开裂。
帕克号由先进复合材料制成的防热罩覆盖。厚度为11.4厘米的防热罩，将确保帕克号搭载的4部科学仪器在与室温相仿的条件下运作。帕克号的主要动力由太阳能双电池板提供。主要电池板用于驱动帕克号在距离太阳0.25天文单位（太阳与地球之间的平均距离为1天文单位）以外的飞行。在帕克号接近太阳时，这面电池板缩回在防热罩的阴影中，小得多的次级电池板驱动帕克号在接近太阳过程中的飞行。次级电池板通过液压冷却，维持操作所需的低温。
帕克任务将让科学家更好地了解太阳系的基本过程，以及推测宇宙中其他几千亿个恒星系统的情况。帕克指出，太阳本身就是宇宙中的一大奥秘，而且它是我们唯一能仔细观测的一颗恒星，并且恒星是非常复杂的天体。科学家希望能破解有关太阳的一些基本奥秘。事实上，了解太阳怎样创制和维持自己的大气层，对于了解其他恒星怎样维持它们的大气层、这些大气层怎样影響周围行星以及这些行星上的潜在可居住性来说，无疑是重要的一步。
帕克号将执行一系列科学任务，例如测量太阳的电场和磁场、拍摄太阳结构和研究太阳风。如果一切顺利，帕克号的观测将有助于科学家破解两个长期以来的奥秘：太阳风是怎样被加速的？太阳最外层大气——所谓的“日冕”（日冕是包裹太阳的等离子体。其他恒星也被这样的“冕”包裹）的温度，为什么比太阳表面的温度高得多？日冕温度高达170万℃，而太阳表面温度只有5526℃。有科学家说，这好比“水往山上流”。也有科学家说，这好比“把一只装着水的壶放到一块冰上，然后水开始沸腾”。言下之意：这根本就不该发生，却为什么实际上发生了？
要想回答這两大问题，只有通过前往太阳风的诞生地附近，近距离观测太阳。而这些问题的答案，并非只具有科学研究意义。太阳风听起来蛮诗意的，但它绝非微风怡人。有时候，太阳喷射强烈的等离子体流，即日冕物质爆发。如果这些带电粒子与地球大气层的磁场相互作用，其在地球上形成的电流就可能让电网的变压器过载，还会损伤汽油和天然气管道。此外，太阳风暴会扰乱通信及全球定位卫星，还可能以辐射威胁太空中的宇航员。2006年，一次强烈太阳爆发迫使国际空间站上的宇航员躲进气闸舱和其他重点防护区域。现代太空探索需要把宇航员、人造卫星和飞行器送到太阳系中更远的地方，这让太空天气预测（包括预测太阳爆发的概率）变得越发重要。
美国国家科学院最近的一项研究估计，如果不得到预警，一场巨型太阳事件仅对美国就可能致损2万亿美元，整个美国东海岸地区可能停电1年。美国宇航局因此表示，为了破解日冕奥秘，也为了保护人类文明免遭太空天气事件威胁，该局决定发射帕克号去“触摸太阳”。帕克号将专门携带的一个芯片上，装载着尤金·帕克的多幅照片，以及他在1958年发表的那篇具有里程碑意义的太阳风论文。帕克号上还将安装一面有着特殊意义的牌匾，美国宇航局已经邀请帕克本人撰写牌匾上的铭文内容。
为了接近太阳，帕克号将环绕金星7圈，以确保自己能进入离太阳尽可能近的轨道。只有飞得离太阳足够近，才能实地观测到太阳风从亚音速加速至超音速的情况，才能飞到高能太阳粒子的诞生地。帕克号在发射时的自身重量为685千克，长度为3米，最大直径2.3米，形状为六角形。它从地球到太阳的旅途长达1.496亿千米。为确保这趟漫长旅程顺利，需要使用一系列太阳能电池板。帕克号搭载四部主要的科学仪器，分别是：场实验仪，用于测量电场、磁场和波；集成科学调查装置，用于观测高能电子、质子和重离子；宽视场相机，用于为太阳拍照；太阳风电子和质子调查仪，用于为太阳风中的粒子计数。
日冕加热之谜
太阳光球层（太阳表面）的温度大约为5526℃，而光球层上方的日冕温度高达100万～200万℃。日冕的极高温说明，日冕不是由光球层的直接热传导来加热的。
科学家推测，加热日冕所需的能量是由光球层下面对流区的湍流运动提供的。科学家提出了两种主要机制来解释日冕加热。第一种机制是波加热，即对流区中的湍流产生声波、引力波或磁流体动力波。这些波向上运动，在日冕中耗散，以热量形式把能量沉积在周围物质中。第二种机制是磁加热，即通过光球层运动持续累积磁能，并且以大型太阳耀斑及大量类似但小规模事件——纳耀斑的形式释放磁能。
目前不清楚波是否是一种有效的加热机制。除了阿尔芬波（沿磁力线运动的横向电磁波）之外，所有波都被发现在到达日冕之前就会耗散或折射。另外，阿尔芬波在日冕中不容易耗散。因此，对日冕加热之谜的现行研究都聚焦于耀斑加热机制。但实际情况是否如此，有待帕克任务证实。
作者：刘声远
来源：《大自然探索》2017年第09期
