美国宇航局的派克探测器将比以往任何时候都更接近太阳探索其神秘的气氛

美国宇航局的派克探测器将比以往任何时候都更接近太阳探索其神秘的气氛

Betsy Congdon无视神话教训,在她年轻的工程生涯的第一个十年里,一直致力于一项独特的任务:建造一种能够在危险的地方靠近太阳飞行的东西。

在5月份在马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的一个毛毛雨的日子里,Congdon蹲在她的团队产品的箔片包装测试副本旁边:碳泡沫隔热罩,稍微宽一点,很多比特大号床垫更薄。 另一个副本就在附近,一个备有飞行的备用品密封在金属桶中,上面印有无意识的讽刺警告:“不要暴露在直射阳光下。”

真正的一个人向南前往佛罗里达州的肯尼迪航天中心,在8月11日或之后不久,它将爆炸,紧固到美国宇航局帕克太阳探测器的业务端。 六周后,探测器将到达金星。 那颗行星的引力会将探测器推向太阳系的心脏。 六个星期之后,帕克将从现在到2024年之间的二十多个飞行中的第一个中穿过太阳的日冕,这是一个由热带电粒子或等离子体组成的稀薄气氛。

在这些飞行期间,隔热罩必须保持探头易碎的电子设备安全,同时其表面温度可以飙升至钢铁熔化1370°C。 热量不是来自电晕本身的百万度等离子体,它太薄而不能传递太多能量,而是来自太阳的眩光。 康登并不紧张。 “我们已经完成了所有的步伐,”她说,她的声音在巨大的航天器装配室里回荡。 “我们已经把它们的倍数放在了所有的步伐中。”

如果一切顺利的话,在盾牌的阴影下安全的太空船将会发回电晕等离子体的记录和形成它的磁场的纠结网络。 这些数据可以解决基本的谜团。 例如,将等离子体加热到太阳表面温度的200倍以上是什么? 太阳风,等离子体粒子流如何逃逸到太空? 太阳风是一个难题,因为太阳物理学家尤金帕克,探测器的同名,在1958年描述它。更好地理解它可以帮助今天的研究人员改进他们对太阳风暴的预测,太阳风的阵风撞击地球的磁场,并在他们最强大的,淘汰卫星和电网。

价值15亿美元的派克并不是唯一一个针对太阳的大型项目。 在夏威夷毛伊岛,天文学家正在对Daniel K. Inouye太阳望远镜(DKIST)进行最后润色,这是一项耗资3.5亿美元的项目,由美国国家科学基金会资助。 凭借4米长的镜子,DKIST的尺寸是现有最大太阳望远镜的两倍多。 在2020年6月开始运营时,它应该能够以无与伦比的清晰度放大太阳表面。同年,太阳轨道飞行器即将启动,欧洲航天局提供7.8亿欧元的核心支持。 太空船将观察到高能辐射在距离帕克稍远的地方通过日冕涟漪。

“我真的认为这些都是变革性的任务,”科罗拉多州博尔德空间天气预报中心的首席科学家霍华德辛格说,他是国家海洋和大气管理局(NOAA)的一部分。 辛格和他的同事们不仅为卫星和电网运营商提供太阳活动预报,还为在极地附近飞行的宇航员和航空公司提供太阳活动预报,其中高能量​​,组织穿透的粒子更容易穿过地球的磁场。

如果目前的时间表成立,DKIST和太阳轨道探测器将在帕克在2024年制造最近的太阳能飞行之前观察日冕。这个时间应该允许太阳物理学家在同一时刻混合和匹配远程和原地数据收集,同样不能实现他们测量日冕的变化,同时观察太阳的滚动表面,寻找搅拌和加热它的过程的线索。 今年早些时候,在APL,三个项目的代表第一次见面,讨论他们如何共同解决日冕问题。 “对于太阳物理来说,这绝对是一个独特的时期,”负责DKIST的组织Boulder国家太阳天文台主任ValentinMartínezPillet说。 “我们可以做的综合科学将会非常棒。”

帕克的太阳之旅实现了与美国太空计划本身一样古老的野心。 1958年,由于早期太空物理学家约翰·辛普森和詹姆斯·范艾伦主持的美国国家科学院(NAS)委员会的成功,仍然从苏联的人造卫星卫星的成功中挣扎,他脑海中安排了一份科学上可以放置美国的任务愿望清单。在太空领先。 一个概念是在水星轨道内冒险尝试太阳能等离子体的探测器。

几十年来,这个想法并没有从愿望清单中走出来。 “我们已经尝试了六次,”美国宇航局为马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的太阳轨道工程所做贡献的项目科学家Chris St. Cyr说。 “在资金到位的同时,它从未获得科学界的政治意愿。”

到21世纪初,NASA和NAS都将太阳探测作为首要任务。 帕克,最终的结果,将在0.04天文单位(AU)的太阳之内。 (一个AU是太阳和地球之间的平均距离。)它比水星的路径近10倍,比目前的记录持有者,1970年代中期由西德和美国国家航空航天局建造的Helios探测器近7倍。 双探头每秒旋转一次,以均匀分布太阳的热量。

太阳捕手 偏风 粒子 1个天文单位(AU) 太阳风 地球 太阳 地球的磁场偏转最大 太阳风粒子。 但强烈的太阳能 风暴可能会导致卫星问题 lites和电网。 风化风暴 太阳的表面只有5500°C,而 电晕的微弱气体可以到达 温度为100万摄氏度或以上 更多。 研究人员提出了两项​​建议 磁场可以通过的机制 从太阳的旋转中转动动能 表面进入冠状热(1和2,下面)。 调高温度 太阳的表面是一团的 不断沸腾的浆细胞 摇动并拖动磁场 嵌入其中的线条。 搅拌田野线 航天器的倾斜轨道给出了 它可以看到太阳的两极 更快的太阳风来自 开磁场线。 太阳轨道器 沸腾的等离子体可以产生波浪 在伸展的野外线中 空间。 摆动可以在附近加热 血浆颗粒。 1磁流体动力学波 循环磁场可以变成 纠结。 当他们陷入稳定 安排,他们可以触发耀斑, 加热电晕。 2磁重联 毛孔 对流 关闭 循环 隔热板 散热器 帕克最近的传球 (0.04 AU) 太阳轨道器 最近的通行证 (0.28 AU) 平均轨道 (0.395 AU) 科罗纳 太阳黑子 颗粒 1 2 在一个名为Alfvén的边界 表面,等离子体颗粒 太阳风逃离太阳的引力。 未知的力量会加速它们 进入太阳系。 太阳能板 超越 隔热罩 什么时候探测 坐得更远 它的椭圆轨道。 强风 从现在到2024年,宇宙飞船将潜入太阳 电晕二十几次,不受钢铁熔化的影响 通过碳热屏蔽的peratures。 它最贴心的传球 会使它比水星更接近10倍。 派克太阳能探头 Alfvén表面 太阳能板 隔热板 25°以上 黄道 黄道 轨道 两艘宇宙飞船,美国宇航局的派克 太阳探针和欧洲 航天局的太阳轨道器, 将掠过太阳来解决两个问题 长期存在的谜团:为什么 日冕是如此热,什么 为太阳风提供动力。
C. BICKEL / SCIENCE

即使0.04澳元也代表帕克的妥协。 美国宇航局之前在2005年设计的太阳探测器概念,至少可以飞行一到两次飞行。

但它很贵。 2007年,NASA要求APL经理削减成本。 作为回应,他们改变了任务设计,退出了太阳并增加了飞行的数量以进行补偿。 他们还用面板取代了昂贵的放射性同位素发生器来吸取太阳能 - 在日冕中太多了。 为了防止过热,派克将面板隐藏在隔热罩下的阴凉处,因为它在椭圆形轨道上最靠近太阳。 当太空船离得更远时,探头将面板拉开以捕捉太阳光线,而泵送系统则用水浴冷却它们。

那就是最重要的盾牌。 在她的办公室楼上,从帕克建造的洁净室,康登保留了一个用于测试的黑色材料的手提箱大小的正方形。 它的构造就像一个三明治,有一层厚厚的碳泡沫填充物,一个透气的碳分子网,坐落在碳纤维薄片之间,这是一种由碳纤维编织而成的材料,加热到几千度时变得更强,而不是更弱。 厚厚的碳碳垫装饰着美国宇航局航天飞机的机头和机翼。

康登拿起样品并把它拿出来。 令人惊讶的是它 - 全尺寸盾牌的重量只有一个人。 在触摸时,暴露在样品边缘的粗糙泡沫像软铅笔的铅一样摩擦。 真正的盾牌外部有一个白色涂层,旨在尽可能多地反射热量,但在这个未上漆的样品上,部分表面变暗,过度。

工程师们已经竭尽全力确保盾牌永远不会偏离帕克和太阳之间的位置,包括当探测器消失在太阳后或太阳自身的无线电发射淹没太空船时,无线电与地球的接触被切断。 如果传感器发现隔热罩已经旋转到位,则自动系统会接合到船只的右侧。 “我们需要在事情严重受损之前的几分钟内恢复,”帕克的APL任务系统工程师Jim Kinnison说。

具有讽刺意味的是,在氧气存在的情况下,隔热板在地球上是易燃的。 Congdon说,当测试室的真空密封破裂并且氧气泄漏时,一次高温测试发生了“可怕的”转弯。 “事情发生了火焰。” 但是在太阳日冕的稀薄等离子体中,氧气很少,而且那里的少数原子的外部电子被高温的高温撕裂了。 帕克的科学团队希望找出原因。

美国宇航局的派克探测器将比以往任何时候都更接近太阳探索其神秘的气氛

技术人员在NASA的Parker太阳能探测器上测试太阳能电池,激光照射它们(左图)。 探测器等待在佛罗里达州(右)发射之前增加其隔热板和太阳能电池板。

(左图)NASA / JOHNS HOPKINS APL / ED WHITMAN; NASA

太阳的可见表面,即光球,在约5500°C时煨。 小学物理学认为,因为日冕远离太阳核心的热源,所以温度应该下降。 相反,它们飙升至超过100万摄氏度。

几十年来,海洋物理学家就这种额外热量的起源进行了斗争。 至少在广义上,他们同意。 能量可能开始于光球中或下方的运动,在那里,天文学家看到的颗粒沸腾,不断变化的细胞与德克萨斯州相当。 那些是对流等离子体的气泡,它们像坩埚一样沸腾,携带着巨大的动能。 科学家们也同意磁场向外输送能量。

与日常材料不同,带电等离子体响应磁场,沿着场线流动。 移动的粒子本身产生电流,产生额外的磁场。 有时,这些磁场通过太阳表面到达日冕,这可以为颗粒的动能转化为热能建立一条通道。

“除此之外,如果我们引入五位理论家,我们可能会得到15种理论,”圣西尔说。 但拟议的日冕加热途径确实属于两个一般分支。

在一个方面,突出的磁场线缠结的突然变化将热量泵入电晕。 双脚在光球中种植,其中许多线条类似于密苏里州圣路易斯的大拱门。 但是当表面搅动时,脚会四处移动,使头顶的线条缠结在一起。 压力增大。 当场线突然陷入更稳定的布置时,大量的能量释放到周围的等离子体中。

美国宇航局轨道太阳动力学观测站等任务自2010年以来几乎每秒都在监测太阳的变化。他们观察到这些突然的变化,称为磁重联,并表明他们可以发射太阳耀斑​​。 这些事件经常发生,足以说明日冕的一些热量,但不是全部。 理论家长期以来一直怀疑,更小的“纳米of”也会在靠近地表的地方突然出现,太小而且微弱无法被发现。 每秒有一百万个这样的耀斑,每个都像一个50兆吨的氢弹一样强大,可以完全解释日冕的测量温度。

这绝对是太阳物理学的独特时间。 我们可以做的综合科学将是非常棒的。

国家太阳天文台ValentinMartÍnezPillet

如果日冕的热量确实来自成群的未被发现的断音爆炸,那么新能量的电晕口袋应该能够达到高达1000万摄氏度的温度,然后能量才会传播开来。 近年来,卫星和亚轨道火箭观测地球大气层的X射线和紫外线(UV),在这些温度下发现了日冕等离子体的排放,为该理论增加了间接支持。 戈达德天体物理学家Jim Klimchuk说:“它就在那里。这有点无可争辩。”

其他理论家设想从太阳深处升温的不同路径。 鼓泡等离子体细胞的运动激发向外流动的磁能波。 从理论上讲,这些波浪可以像CrossFit健身房中的绳索那样在日冕中缠绕场线 - 尤其是一只脚在太阳上,另一只脚悬挂在太空中。 马萨诸塞州剑桥市史密森天体物理天文台的太阳物理学家Kelly Korreck表示,这种摆动会加剧附近的粒子,从而偷走热能和动能,“就像波峰上的冲浪者一样”。

三个即将到来的任务应该有助于在重新连接和波浪之间分配日冕的热量预算,并且可能暗示特定的子过程,例如纳米,,尽管Korreck听起来有一点警告:“没有一台望远镜肯定会找到答案。” 帕克将穿越预计波浪加热主导的道路。 如果帕克感觉到波浪,它可以检查他们贡献了多少能量。 通过测量接近太阳的刚刚煮熟的等离子体,纳米-帕克释放的热氦原子阵风也应该能够嗅出重新连接加热事件的痕迹。

DKIST和太阳轨道运动员将通过研究帕克路径下方的区域来增加图片。 两个天文台 - DKIST,使用红外线; 使用紫外线和X射线的太阳轨道飞行器将绘制可能引发纳米眩光的短暂,纠结的场地结构。

派克探测器还将探索这样一个谜团:尤金·帕克,现在是伊利诺伊州芝加哥大学91岁的物理学家名誉退出,留给他的科学继承人:是什么驱使带电粒子的大风每秒扩展数百公里太阳系? 在日冕中,太阳磁场对等离子体具有坚硬的保持力。 在某个地方之上,粒子移动得足够快,可以摆脱太阳的引力并逃逸到太阳系中。 这就是“魔法发生的地方,太阳风加速到太多风,然后起飞,”APL调查项目科学家尼古拉福克斯说。 “我们将在那个地区。”

像日冕一样的风似乎无视基本的物理学:当它开始扩散到太阳系中时它应该冷却和减速。 但事实并非如此。 东西不断向外驱动它 - 也许是螺旋路径下的粒子发出的能量或等离子体湍流阵风的消散。 通过记录它所飞过的等离子体的小规模物理特性,帕克将确定风向何处飞行并缩小可能发射它的机制。 “我们都知道魔鬼在细节中,”福克斯说。

美国宇航局的派克探测器将比以往任何时候都更接近太阳探索其神秘的气氛

派克太阳能探测器的隔热罩被降低到模拟空间真空和太阳热量的腔室中。

NASA

去年十月,一位活泼的退休人员穿上发网,蓝色短靴和一件实验室外套,前往APL的洁净室,两侧是任务科学家。 尤金·帕克(Eugene Parker)来看他的名字,这是一个致力于研究他在60年前所描述的风的探测器 - 部分来自观察彗星尾巴指向远离太阳的风袜。

这个想法曾经引起争议 - 两位评论家完全拒绝了帕克的论文。 现在,太阳风成为新兴应用科学的基石。 了解日冕在美好时光的行为可能是预测不良日子的关键。 无论物理加速什么,太阳风也会发动危险的太阳风暴。

不利的太空天气分为几类。 工作日太阳风只会对在地球保护磁场外旅行的宇航员,以及月球或火星等深空位置造成健康风险。 太阳耀斑向地球投射更强的粒子和辐射,这可能导致卫星出现问题,并且由行星的磁场向极地汇集,产生极光灯光。 最稀有和最强烈的事件,称为日冕物质抛射(CME),发射密集的粒子团,可以压倒地球的领域,削弱通信技术。 例如,在1967年,美国空军在多个预警雷达系统似乎被堵塞后开始为核战争做准备。 在预防灾难时发现的罪魁祸首是一个巨大的CME。

“他们什么时候会发生?他们会持续多长时间?他们会变得多么激烈?” 歌手问道。 “在理解如何预测其中一些现象方面存在巨大差距。”

CME几乎没有警告。 追踪太阳风的NASA和NOAA卫星徘徊在稳定的地球 - 太阳引力点附近,该引力点仅占太阳的1%。 在太阳风速下,15分钟后可以到达地球的太空天气事件。 Singer说,因此学习如何在太阳下从帕克,DKIST和太阳轨道探测器的数据中识别出破坏性事件的警告信号将会带来更好的预测。

DKIST将显微镜用于喷出耀斑的相同磁性结构。 太阳轨道探测器将测量太阳远侧的磁场,并测试在旋转到视野之前监视强场是否可以改善未来的预测。 帕克应该通过测量电晕条件来改善太空天气模型,因为小火炬爆发。 团队成员希望探测器可以幸运地通过CME飞行。

但所有这一切仍然有效。 康登自己的追求几乎结束了。 防热罩紧紧地固定在Parker上面,为空间做好准备。 她已经预定了自己的机票到佛罗里达州开始8月的发射窗口,不是为了工作,而是在APL游客的特殊观景区作为游客欣赏它。 Eugene Parker和亲密的家人一起旅行,他们将像VIP一样受到欢迎。

“科学家脸上的喜悦 - 这就是我们正在寻找的东西,”康登说。