[科普中国]-太阳探测器

简介

对于人类来说，太阳是既熟悉又陌生的星球。为了解答有关太阳的最深层谜团，美国航宇局准备在2018年前发射一个名为SP+的太阳探测器，让它冒险进入太阳那炙热的大气，在被太阳散发的巨大热量摧毁之前收集地球“母星”的重要信息。

轨迹和任务太阳探测任务的早期概念设计使用木星的重力辅助操纵来取消从地球发射的探测器的轨道速度，以便落到接近太阳的轨迹上。Solar Probe Plus任务设计通过在金星上使用重复的重力辅助来逐渐减少轨道近日点，从而实现多次通过，达到大约8.5 太阳半径或大约6,000,000公里（3,700,000英里），从而简化了这一轨迹。

该任务设计为在太阳附近的恶劣环境中生存，其中通过使用太阳遮蔽物，入射太阳强度约为地球轨道强度的520倍。在航天器前部的太阳能防护罩由增强的碳 - 碳复合材料制成。飞船系统和科学仪器，位于本影盾，其中来自太阳的直射光被完全阻断。任务的主要功能将是使用光伏阵列的双系统。用于0.25AU以外的任务的部分的初级光伏阵列在靠近太阳的近处期间缩回到遮蔽物之后，并且更小的次级阵列通过最接近的方式为航天器提供动力。该次级阵列使用泵送流体冷却以保持操作温度。

当探头经过太阳时，它将达到一个高达200公里/秒（120英里/秒）的速度，使其成为最快的人造物体，几乎是当前记录保持者Juno的三倍。2

科学目标确定太阳风源处的磁场的结构和动力学。

跟踪加热电晕并加速太阳风的能量流。

确定什么机制加速和运输高能粒子。

探索太阳附近的尘埃等离子体及其对太阳风和能量粒子形成的影响。3

详细信息计划提出该探测器将有望飞到距太阳表面700万公里，或9个太阳半径的地方。在如此近的距离中，探测飞船的碳合成抗热板必须能够抵挡超过1400摄氏度以上的剧热，并承受此前没有任何太空船曾经承受过的高辐射“风暴”。
美国约翰·霍普金斯应用物理学实验室为NASA设计和建造这艘超抗热太空船：“太阳探测器+”通过太阳能驱动它依靠液冷式太阳能电池板获得持久的电力供应，当阳光变得过于强烈时，太阳能板可以收缩藏在隔热板后面探测器上还将携带一台磁力计、一台等离子波探测器、一台尘埃探测器、一些电子和离子分析仪等但最让科学家兴奋的科技之一是它上面将携带一个半球成像仪，它是一台望远镜，但却能够像医学CAT扫描仪一样拍摄出太阳日冕的三维图像，
科学家们计划：“太阳探测器+”在长达6年的探测任务中，7次借助金星之力飞进日冕进行探测任务金星的引力可以轻微改变探测器轨道让它一次比一次更深入地潜进太阳大气层搜集太阳风和太阳磁的第一手资料，

自20世纪90年代中期以来，美国航宇局和欧洲空间局间的联合项目太阳和日球层探测器(SOHO)以及美国航宇局的高新化学组成探测器(ACE)和风太阳探测器(WIND)就开始不断地监测太阳风和日冕。然而，它们只能从安全距离——到地球的距离只有日地距离的1%——之外来观测太阳。为了能真正捕捉到太阳大气的复杂性，SP+不能如此的胆怯，

把一个探测器送往比先前最靠近太阳的探测器距离还要小8倍的地方听上去就像是一次自杀式的任务。而在如此近的距离上，它会一头扎入太阳日冕——太阳的外层大气，那里的温度在100万～200万摄氏度之间。这正是美国航宇局计划于2018年前发射的“太阳探测器+”(Solar Probe plus，简称SP+)所要做的，

2010年9月公布了SP+上所要进行的实验，科学家们为之兴奋不已。对于太阳物理学而言，SP+堪称是哈勃望远镜级别的任务。如果一路上能够幸存下来，SP+将有望回答一些长期以来困扰着天文学家的难题。这是人类第一次可以触摸、品味、嗅闻我们的太阳。

实施难题大小和奔驰精灵车差不多的SP+目前仍处于建造“阶段A”，还有许多工作要做。对于其设计者来说，最关键的问题是它是否能抵御如此极端的高温?

幸运的是，日冕中离子的密度非常低，尚不足地球海平面处大气分子密度的六千万亿分之一，不会对SP+造成严重的破坏类似的，同是50℃的水和空气，由于水的密度要比空气大得多因此水感觉起来也会热得多于是对于SP+来说，危险其实来自太阳自身的热辐射。

在为期6年的任务中，SP+会多次利用金星的引力助推来逐渐靠近太阳，它从太阳近处飞过的次数将达到24次那么SP+究竟会有多靠近太阳?探测任务的设计以及金星的引力使得它到太阳表面的距离不会小于8.5个太阳半径也就是说，当SP+抵达其距离太阳最近的那一点(近日点)时，它到太阳表面的距离大约是6百万千米。在这个距离上太阳会比从地球上看大23倍，当地的太阳亮度和热量则会高出500倍，

如果想在如此严酷的高温和辐射下生存，SP+显然不能“赤膊上阵”。整个探测器将被置于一块直径2.7米、厚15厘米由碳泡沫复合材料制成的防护罩之后。这一巨大的“太阳挡板”必须要能抵御超过1400℃的高温和强烈的辐射SP+上的绝大多数仪器设备都会躲在这块挡板的后面来进行探测。然而，令人无法置信的是这样一层防护罩却可以把探测器的温度维持在室温的水平上，

SP+是由美国约翰·霍普金斯大学的高新物理实验室设计建造的。由于之前从来没有发射过类似的探测器因此设计团队必须要从零开始。在设计的过程中，强照度、辐射以及尘埃的撞击都必须要考虑，而在绝大多数情况下对这些空间环境的了解却非常少，

多方面的建模、测试和创新成了设计的主旋律，而其中的核心则是平衡。SP+任务中所遇到的所有挑战都可以被各个击破，但真正的困难是要同时摆平它们。

肩负使命使命之一搞清日冕为何一面在“沸腾”一面是“冰冻”

20世纪60年代，观测发现由太阳喷出的连续带电粒子流(德国天文学家路德维希·比尔曼将其称为“太阳风”)存在一个从亚音速到超音速的突变。此前理论天体物理学家尤金·帕克在50年代第一个预言了太阳日冕会出现这样的一个跳变。然而在此前后，类似SP+的一个探测任务的构想便被首次提了出来。

1958年，美国科学院辛普森委员会就提出了一个可以来回答这些问题的探测任务，它会在距离太阳只有4个太阳半径处来测量太阳粒子和磁场。虽然在当时看似是一个了不起的想法，但最初的方案还是太过冒进了。目前的计划则有所改变。SP+将会前往太阳系中还从未被探访过的区域，而驱使着它的两大谜团是日冕的高温和太阳风令人不解的加速。这是长期折磨着太阳物理学家的两大难题。

日冕中的粒子看上去似乎是从不同的方向被加热的。日冕中垂直于磁场方向的等离子体温度要比沿着磁场的高出10倍或者20倍。这就好像有一桶水，从一个方向上看它在沸腾，而从另一个方向上看它却同时又是冰冻的。

使命之二寻找超音速太阳风来自哪里

第二大主要目标超音速太阳风是与第一个相关的。这主要是一场太阳引力和日冕中粒子压强的较量。日冕的温度越高，其中等离子体的压强就越大，由此就会产生超音速太阳风。换句话说，高温粒子的速度在距离太阳表面一定的高度上可以达到逃逸速度。但即便采用帕克所提出的机制，仍然有许多有关太阳风加速的事情至今仍搞不清楚。例如，没有额外的能源很难解释高速太阳风的成因。

也许用大视场照相机拍摄日冕的360度像会对解决这些问题有所帮助，而这正是SP+大视场成像仪(WISPR)的目的。当它扫过日冕的时候，WISPR将对它进行断层成像，不过其成像跨度只能达到90°～150°。

SP+在其24次的近日点飞掠过程中都会进行这一观测。但如果你等不及到2018年的话，可以看看美国航宇局的日地关系观测台在2011年2月提供的首幅360°的全太阳和日冕像。那么既然如此，为什么还需要视场有限的WISPR呢?因为过去还从来没有一个探测器能在如此有利的位置上以这样高的分辨率观测过太阳，这对于了解日冕物质抛射的磁场属性十分重要，

使命之三以解开困扰科学家多年的两大太阳奥秘——日冕和太阳风。
日冕的温度是困扰科学家多年的谜团之一，如果你将一只温度计伸到太阳表面，那么它表面的温度是大约6000摄氏度科学直觉认为，当温度计离太阳表面越远时，温度应该越低，但事实却正好相反。太阳外部大气层——也即日冕的温度，有些地方竟然超过了100万摄氏度，比太阳表面温度还要高上数百倍。这一反常的现象意味着什么，科学家至今仍未找到合理的解释。
而太阳风则是困扰科学家的第二个谜团，太阳向整个太阳系喷射出炽热的带电粒子风——也就是所谓的太阳风，它的时速可以达到每小时数百万英里。然而令人惊奇的是，在靠近太阳表面的地方，却并没有任何明显的强风存在，可当太阳风抵达太阳系行星时，却变成了真正的“狂风”，是地球风速的上万倍，科学家怀疑，在太阳和行星之间可能存在一些未知因素，从而让太阳风获得了如此高的加速度，4