苗千

在升空8天之后，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在2018年8月20日啟動(dòng)了自身的引擎。這次“近乎完美”的長(zhǎng)達(dá)7分鐘的第一階段軌道修正操作至關(guān)重要，探測(cè)器通過(guò)引擎提供的動(dòng)力修正了自己的軌道，然后義無(wú)反顧地向太陽(yáng)飛去。

為了擺脫地球重力的影響，想要把這個(gè)600多公斤重、一輛小汽車大小的帕克太陽(yáng)探測(cè)器送上軌道，需要比發(fā)射火星探測(cè)器多出55倍的發(fā)射能量。雖然發(fā)射數(shù)次被推遲，帕克太陽(yáng)探測(cè)器仍在2018年8月12日由一架巨大的德?tīng)査?4重型運(yùn)載火箭送上了天空。這個(gè)讓科學(xué)家們花費(fèi)了數(shù)十年，耗資15億美元的科學(xué)項(xiàng)目終于進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。

與人類此前絕大多數(shù)的太空探測(cè)項(xiàng)目不同，帕克太陽(yáng)探測(cè)器的目標(biāo)是距離地球最近的恒星——太陽(yáng)。這也是美國(guó)航空航天局（NASA）“與日共存”科學(xué)項(xiàng)目的一部分，近距離探測(cè)太陽(yáng)的活動(dòng)，試圖理解恒星的運(yùn)行機(jī)制，以及它可能對(duì)人類社會(huì)造成的各種影響。

“讓我們看看那里都有什么”

觀看帕克探測(cè)器升上天空的人群中有一個(gè)特殊的老人，他就是著名的天體物理學(xué)家尤金·帕克，正是他在大約60年前首先提出了“太陽(yáng)風(fēng)”的概念以解釋太陽(yáng)的一系列謎團(tuán)。如今發(fā)射的探測(cè)器正是以他的名字命名，這也是美國(guó)航空航天局首次以一位在世的科學(xué)家命名航天器。帕克在1958年第一次提出了直接探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)的設(shè)想，并留下了一句名言：“讓我們看看那里都有什么。”這句話如今被刻在了帕克太陽(yáng)探測(cè)器的一個(gè)銘牌上奔向太陽(yáng)。

在太空中，調(diào)整了航向的帕克太陽(yáng)探測(cè)器正在以超過(guò)每小時(shí)6.1萬(wàn)公里的速度向太陽(yáng)前進(jìn)，而且它還將不斷加速，最終會(huì)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的相對(duì)于太陽(yáng)每小時(shí)70萬(wàn)公里的速度，這也將創(chuàng)造人類制造的飛行器的速度紀(jì)錄。除了速度之外，帕克探測(cè)器還將創(chuàng)下距離太陽(yáng)最近的人類探測(cè)器的新紀(jì)錄。此前，德國(guó)和NASA聯(lián)合研制的“太陽(yáng)神2號(hào)”探測(cè)器曾經(jīng)在1976年創(chuàng)下了距離太陽(yáng)4300萬(wàn)公里的紀(jì)錄。順利的話，帕克探測(cè)器將把這個(gè)紀(jì)錄一舉提高7倍。它將在2024年抵達(dá)距離太陽(yáng)只有610萬(wàn)公里的近日點(diǎn)（地球與太陽(yáng)的平均距離大約為1.5億公里）。

按照計(jì)劃，帕克探測(cè)器會(huì)在2018年10月3日第一次飛臨金星，并且利用金星的引力場(chǎng)進(jìn)行減速和調(diào)整航向，為它在2018年11月5日第一次到達(dá)距離太陽(yáng)1500萬(wàn)公里的近日點(diǎn)，并且在接下來(lái)的12月開(kāi)始向地球發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。這將僅僅是一個(gè)為期7年的太陽(yáng)探測(cè)項(xiàng)目的開(kāi)頭。按照計(jì)劃，帕克太陽(yáng)探測(cè)器將會(huì)7次飛臨金星，利用其重力場(chǎng)調(diào)整航向，并且24次圍繞著太陽(yáng)進(jìn)行探測(cè)，每一次它都會(huì)探測(cè)太陽(yáng)大氣層一個(gè)完全不同的區(qū)域，為地球發(fā)送各種探測(cè)數(shù)據(jù)和照片。這將是解開(kāi)困擾了人類上百年的有關(guān)太陽(yáng)的各種科學(xué)難題至關(guān)重要的一步，必將為人類對(duì)太陽(yáng)的理解帶來(lái)革命性的影響。

對(duì)一個(gè)臨近的天體發(fā)射探測(cè)器進(jìn)行近距離探測(cè)，聽(tīng)上去順理成章，但是相比于其他天體，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行近距離探測(cè)的困難顯而易見(jiàn)——這個(gè)距離地球最近的，也是人類唯一有可能探測(cè)的恒星無(wú)時(shí)無(wú)刻不在釋放巨大的能量，不加防范地妄圖接近只會(huì)被燒成灰燼。正因?yàn)槿绱?，這次耗費(fèi)了科學(xué)家們數(shù)十年努力的科學(xué)探測(cè)，為了能使探測(cè)器盡量接近太陽(yáng)，保護(hù)它最大限度地不受太陽(yáng)熱量的干擾而正常工作，是最需要解決的工程問(wèn)題。

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為探測(cè)器設(shè)計(jì)了一套熱保護(hù)系統(tǒng)，使它能夠在極端條件下工作。探測(cè)器需要在幾十萬(wàn)攝氏度的環(huán)境中進(jìn)行工作，這之所以能實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)殡m然在這個(gè)區(qū)域的溫度極高，但是因?yàn)樘?yáng)系內(nèi)的空間物質(zhì)密度極低，能夠向探測(cè)器的熱保護(hù)系統(tǒng)傳遞能量的高能粒子的數(shù)量并不太多。根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，在幾十萬(wàn)攝氏度的環(huán)境中航行，探測(cè)器朝向太陽(yáng)一面的溫度大約會(huì)達(dá)到1400攝氏度。這樣的溫度對(duì)于一個(gè)精密的科學(xué)探測(cè)器來(lái)說(shuō)仍然極其危險(xiǎn)，而在一個(gè)直徑大約2.4米、厚11.5厘米的熱盾的保護(hù)下，探測(cè)器自身則可以維持在30攝氏度左右正常工作。在測(cè)試過(guò)程中，這個(gè)熱保護(hù)系統(tǒng)可以承受1600攝氏度以上的高溫，足以保障探測(cè)器的正常運(yùn)行。

問(wèn)題在于，并不是帕克探測(cè)器的所有科學(xué)儀器都會(huì)躲在熱盾的后邊工作。它用來(lái)收集來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的各種粒子樣本的儀器在工作時(shí)就需要伸出熱盾之外，它還需要在高溫環(huán)境中能夠測(cè)量和讀取太陽(yáng)風(fēng)中電子和離子的流量和飛行角度，這需要特殊的材料和設(shè)計(jì)。這一部分的探測(cè)設(shè)備由鉬鋯鈦合金材料制成，這種特殊材料的熔點(diǎn)可以達(dá)到2300攝氏度以上。除此之外，熱保護(hù)系統(tǒng)還使用了大約37升的去離子水用作冷卻劑。這套復(fù)雜的系統(tǒng)將會(huì)在未來(lái)幾年里接受太陽(yáng)的考驗(yàn)。

日冕熱量之謎

為什么要探測(cè)太陽(yáng)？實(shí)在是因?yàn)樘?yáng)對(duì)于人類來(lái)說(shuō)太過(guò)重要。生活在地球上的人類所獲得的能源，歸根結(jié)底都是來(lái)自太陽(yáng)的輸送，生命離不開(kāi)陽(yáng)光普照。

除了實(shí)際生活的需要，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)對(duì)于人類宇宙學(xué)的發(fā)展也有著至關(guān)重要的意義。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里，太陽(yáng)都會(huì)是人類唯一有可能進(jìn)行實(shí)際探測(cè)的恒星。理解太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)，有助于人類理解恒星的活動(dòng)規(guī)律，加深對(duì)整個(gè)宇宙的理解。除此之外，對(duì)于太陽(yáng)本身，尤其是對(duì)于日冕部分，人類還有很多持續(xù)多年的困惑，帕克太陽(yáng)探測(cè)器的工作有可能幫助人類一舉解決這些難題。

太陽(yáng)的大氣層（日冕）要比其表面溫度高出很多。在日冕外層，溫度可以超過(guò)100萬(wàn)攝氏度，而向內(nèi)1600公里到達(dá)太陽(yáng)的表面，溫度則只剛剛超過(guò)5000攝氏度。如何解釋太陽(yáng)外層不同區(qū)域之間相差了幾百倍的溫差，是天文學(xué)多年來(lái)最大的謎團(tuán)之一，這被稱為“日冕熱量之謎”。

因?yàn)樘?yáng)過(guò)于耀眼，就連發(fā)現(xiàn)關(guān)于它的難題都不是一件容易的事情。在擁有各種高精度的觀測(cè)儀器之前，人類大多只能在發(fā)生日全食的時(shí)候?qū)μ?yáng)進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)月亮恰好擋住太陽(yáng)中間的主體部分，人類就可以借機(jī)觀測(cè)其周邊的日冕區(qū)域，分析其頻譜構(gòu)成。在1869年的一次觀測(cè)中，人們分析日冕的光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一條從未有過(guò)的綠線。發(fā)現(xiàn)此前未見(jiàn)的譜線往往說(shuō)明發(fā)現(xiàn)了一種全新的元素。德國(guó)科學(xué)家安東·古倫華德為這種從未在地球上發(fā)現(xiàn)過(guò)的新元素命名為“氪”——直到20世紀(jì)30年代才由瑞典科學(xué)家本特·艾德倫發(fā)現(xiàn)，那個(gè)引人注目的綠色線條并非表示存在一種新元素，而是說(shuō)明了鐵離子的存在。因?yàn)檫^(guò)熱，鐵原子失去了自身一半的電子成為離子，才呈現(xiàn)出了一條離奇的譜線。但問(wèn)題在于，經(jīng)過(guò)計(jì)算，人們發(fā)現(xiàn)想要鐵原子失去多達(dá)一半的電子，需要達(dá)到超過(guò)100萬(wàn)攝氏度的溫度，這才意識(shí)到了日冕熱量之謎。

日冕不僅溫度極高，還能夠一直保持這個(gè)溫度，說(shuō)明有著源源不斷的能量供應(yīng)。想要在理論上解決這個(gè)問(wèn)題，首先需要建立一些模型。正是在20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)在芝加哥大學(xué)任教的物理學(xué)家尤金·帕克首先提出了一系列關(guān)于恒星如何釋放能量的模型。在這個(gè)復(fù)雜的模型中包含了等離子體、電磁場(chǎng)和高能粒子等復(fù)雜的物質(zhì)和物理過(guò)程，簡(jiǎn)單描述也就是如今人們說(shuō)的“太陽(yáng)風(fēng)”。帕克提出，可能存在一種叫作“毫微閃焰”的現(xiàn)象造成了日冕的高溫。而除了用這種能夠產(chǎn)生出納米級(jí)耀斑的毫微閃焰模型來(lái)解釋日冕熱量之謎以外，還有另外一種理論認(rèn)為日冕外層的能量來(lái)自于電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)讓帶電粒子快速旋轉(zhuǎn)，從而獲得巨大的能量。

這兩個(gè)用以解釋日冕熱量之謎的理論模型各有支持者，更多科學(xué)家認(rèn)為，真正原因很可能是兩種因素都在起作用，因?yàn)檫@兩個(gè)理論并不相互排斥，很可能共同造就了太陽(yáng)外層的高溫。除了這兩種主要理論之外，還有其他各種理論試圖解釋日冕熱量之謎，想要真正解開(kāi)日冕熱量之謎，就需要詳細(xì)了解太陽(yáng)風(fēng)的構(gòu)成。而太陽(yáng)風(fēng)要花費(fèi)4天時(shí)間才能穿越1.5億公里的距離到達(dá)地球，此時(shí)太陽(yáng)風(fēng)的粒子已經(jīng)和空間中的其他粒子相混合，失去了自身的特點(diǎn)，沒(méi)有太大的研究?jī)r(jià)值。因此，想要最終解決這個(gè)問(wèn)題，別無(wú)他法，只能向太陽(yáng)發(fā)射一個(gè)探測(cè)器，近距離采集太陽(yáng)風(fēng)的粒子。

人類發(fā)射一個(gè)探測(cè)器去探測(cè)一顆恒星，這種原本只會(huì)在科幻小說(shuō)中出現(xiàn)的場(chǎng)景正在成為現(xiàn)實(shí)。人類可能難以想象，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在茫茫宇宙中經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的旅行，到達(dá)近日點(diǎn)時(shí)所面對(duì)的場(chǎng)景。在距離太陽(yáng)僅有630萬(wàn)公里的位置，相比于從地球上觀察太陽(yáng)，這顆恒星在天空中大了25倍，也亮了625倍。人類因?yàn)樽陨淼南拗?，可能永遠(yuǎn)無(wú)法直面這樣的奇觀，卻可以制造出探測(cè)器代替自己去身赴險(xiǎn)境。在任務(wù)結(jié)束后，帕克太陽(yáng)探測(cè)器將會(huì)分解成較大的幾個(gè)部分，進(jìn)而逐漸分解成更小的幾個(gè)部分，繼續(xù)圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行。最終，這個(gè)來(lái)自地球的探測(cè)器將會(huì)消失在百萬(wàn)攝氏度高溫的日冕中，成為日冕的一部分。

自從人類文明的誕生之日起，太陽(yáng)在所有文化中就具有極為特殊的意義。這顆恒星為所有生命提供了光和熱量，它強(qiáng)大、無(wú)情，不可違背，有如神明的化身，它稍有異常都會(huì)引起人們的恐慌，以為這是來(lái)自于未知的某種警示。如今人類制造出探測(cè)器去主動(dòng)接近和探測(cè)太陽(yáng)，這也標(biāo)志著人類文明離開(kāi)了襁褓，終于有能力直面決定著自身命運(yùn)的恒星。

（陳強(qiáng)生薦自《三聯(lián)生活周刊》）