飛上天，和太陽肩並肩_風聞

文章來源丨中科院地質地球所

2020年1月29日，NASA的探測器，Parker Solar Probe，第四次到達了它的近日點，距離太陽約1940萬千米，約合28個太陽半徑，再次打破由它自己保持的，人類探測器距離太陽最近的記錄（距離2480萬千米）。

Parker Solar Probe（簡稱PSP，如此童年回憶的一個名字），作為目前最接近太陽的人類探測器，正在源源不斷地向我們發送有關太陽的各種科學數據，促進人類加深對太陽的理解和認識。從科學的層面來講，這是人類最先進的探測器之一。恰逢它剛剛美美地曬了幾天的太陽，而小編我還在家中閉關，快要發黴。

今天，就來介紹介紹這顆，與太陽肩並肩的探測器。

一、任務目標和****歷史

本來PSP這枚探測器的名字只是“Solar Probe+”，但在2017年5月，正式更改成了現在的名字。其現在的名字來源於天體物理學家Eugene Newman Parker，他是“太陽風”（Solar Wind）這個詞的發明人。PSP是NASA迄今為止，第一個，以還健在的科學家的名字命名的探測器，不得不説這是一種榮譽了。

EugeneNewman Parker（前排）正在觀看Parker Solar Probe發射

深空探測這件事情，不僅僅是一件科學的事情，因為耗資巨大，更需要大量的人力、物力，所以，深空探測更是一件需要政治的事情。

1958年，NASA就計劃一個探測太陽的計劃。計劃發射一個軌道器（Solar Orbiter），深入到水星的軌道之內，在太陽的近旁，研究太陽的粒子、場的特性。當然，當時的美國人，航天事業也是剛剛起步，這一計劃主要是一種設想規劃，並沒有實際能力去實現。

到了1970年代和80年代，後續的研究更加證明了研究太陽的重要性，人們發現，太陽風對整個太陽系的演化、對地球環境的影響意義重大。

**壯麗的太陽日冕物質拋射（CME）。**藝術想象圖。

過去，由於人類一直生活在地球磁場的庇護之下，幾乎沒有對太陽風的認識。直到1959年蘇聯的Luna-1號探測器離開地球，進入環繞太陽的軌道，人類才第一次觀測到太陽風。如此重要，卻又如此陌生，瞭解太陽變得極為重要——然而，太陽軌道器的計劃一直由於過高的資金需求而被不斷擱置。

人類第一顆飛出地-月系的探測器，前蘇聯Luna-1（又名Мечта，夢想）的複製品

1990年代，太陽軌道器任務被重新評估，改成了成本更低的太陽探針（Solar Probe）任務，作為外行星/太陽探針計劃（OPSP）的一部分。結果這個計劃在2003年，被喬治布什的聯邦預算要求整個取消了。人類文明的廣度，又一次不得不屈服於鈔票的厚度。

到2010年代初，太陽探針計劃被重新納入了一個更低成本的“太陽探針+”計劃中（Solar Probe+），終於得以實施。預算成本一降再降，就算這樣，到了發射的時候，整個Parker Solar Probe的造價也達到了15億美元。

2018年8月12日，UTC時間07:31，Parker Solar Probe終於搭乘德爾塔4號重型運輸火箭，呼嘯升空。

Parker Solar Probe發射升空

二、探測器的構造

Parker Solar Probe的藝術想象圖

作為一個要跟太陽肩並肩的探測器，PSP最顯眼的特徵，就是臉上頂的那個大罩子。上面這張藝術想象圖中，對着太陽的那部分就是。

這個大罩子主要由“強化碳-碳”材料製作，可以耐受1370攝氏度以上的高温。如果PSP能夠最終到達設計的最低近日點——690萬公里，它已經部分進入日冕外層了，其所在位置的太陽輻射功率將達到約650kW/m2。要知道，家裏的微波爐功率一般才1kW，這相當於在1平米之內擺了650個微波爐對着探測器BBQ，這誰頂得住？

PSP的所有重要部件和科學載荷，都要躲在這個大罩子的陰影之下“乘涼”，否則，整個探測器將在十幾秒之內完全燒燬。考慮到就算是電磁波，從探測器那裏傳到地球也需要大概八分鐘，探測器不能依靠地面指令，必須智能地自己調節自己的姿態，始終用罩子正面對着太陽。探測器上安裝了4個光傳感器，實時感應陽光的方向，實時自動調整姿態——這也使得PSP被稱為是迄今最智能的探測器。

Parker Solar Probe的熱防護罩正在接受熱試驗

探測器攜帶有兩組太陽能電池板。主太陽能電池板只在距離太陽0.25個天文單位之外才會打開，距離太陽很近的時候會收回，防止燒燬。而副太陽板負責在距離太陽很近的時候供電——這副電池板是靠液冷系統冷卻的。

**左：****Parker Solar Probe在近日點看到的太陽 VS 右：**地球附近看到的太陽

除此之外，從藝術想象圖中我們可以看到，探測器後面還伸出一條長長的尾巴——這是探測器的伸杆，伸杆上安裝着磁強計等需要潔淨電磁環境，遠離探測器主體的科學載荷。接下來，我們就大概看一看PSP的科學載荷。

三、有效荷載

PSP的主要有效載荷

研究太陽風，最重要的是什麼呢？某種意義上來説，最重要的是磁場。

太陽風是看不見摸不着的粒子流，但是我們卻可以通過觀察磁場的變化，來觀察太陽風的流動。在理想的情況下，太陽風粒子，是完全“凍結”在假想出的“磁力線”上的，太陽風將會和磁場同步運動，一起傳播，因此測量磁場，就是在測量太陽風。當然，現實的情景遠比這複雜，也就需要更全面的測量。PSP攜帶了FIELDS科學組件，用於完成對場的綜合測量。

**圖注：PSP的FIELDS科學測量組件（****包括熱罩附近伸出的四支電場測量天線、伸杆接近末端的1支電場測量天線electric

antenna，原位測量探測器所在處的電場梯度），伸杆中部的兩枚磁通門磁強計（MAGi，MAGo，測量矢量磁場絕對強度）和伸杆頂端的探測線圈磁強計（SCM，測量磁場的波動）以及電子學單元（圖中沒有體現，負責綜合控制）**

第二，IS☉IS組件，用於研究太陽風能量電子、質子和重離子，包括EPI-Hi和EPI-Lo，分別測量高能量段和低能量段的電子、質子和重離子。

**圖注：**IS☉IS組件的設計圖

第三，WISPR組件，一套寬視場相機，共兩個，一個向內拍（太陽方向），一個向外拍。相機並不直接拍太陽，而是拍攝略微偏離太陽，從13°到108°的視場，用於觀察日冕物質的形態，來研究電子的密度和速度信息。

**圖注：**WISPR組件

第四，SWEAP組件，一套粒子收集裝置，用於收集並分析電子、質子、氦離子的速度、密度、温度。

這四套綜合測量系統，共同搭建了PSP觀測太陽的科學平台。當探測器接近太陽的時候，這些科學設備，不懼高温，記錄下太陽的喜怒哀樂一顰一笑，將第一手的資料發送給人類。

**圖注：**科學家和工程師們在調試伸杆，可以看到探測器整體並不大

四、軌道

前面説了，發射一顆太陽探測器，是非常昂貴的，昂貴一方面體現在抗高温的設計上，另一方面也體現在探測器軌道的設計上。

要將探測器從地球上發射升空，離開地月系，最終以一個很低的軌道環繞太陽，是非常消耗動能的，這從最簡單的機械能守恆就能知道。

PSP探測器本身，僅有685kg，但是發射用的火箭，Delta IV Heavy，重達733噸，本來能將28.79噸的載荷送入低地球軌道。火箭將探測器送入一個環繞太陽的高橢圓軌道，隨後，PSP藉助與金星的引力彈弓，多次減速，最終將在2024年末，達到預定的，近日點690萬千米。

**PSP的軌跡。**品紅色的是PSP，深藍色是地球，淺藍色是金星，綠色是水星，中央的黃點是太陽。

從2018年10月3日，到2024年11月6日，PSP將總共經歷7次金星的引力彈弓，每次都將稍許降低近日點的高度，並提升近日點的速度。2024年之後，其近日點的速度將會達到200km/s，大約為光速的0.07%，它也將成為人類迄今飛得最快的飛行器。

**圖注：**PSP與太陽的距離、速度以及近日點、飛掠金星的時間點。

PSP在遠離太陽的時候，會打開主太陽能板，並恢復與地球的通信，傳輸科學數據。而在接近太陽的時候，會收起太陽能板和高增益天線，進入自動模式，中斷通信，保護天線，全力測量數據並保存下來，留待日後發送。此外，當從地球看來，PSP和太陽的夾角過近時，PSP的信號會淹沒在太陽發射的狂暴的電磁波之中，也不會傳輸數據。

五、發現了什麼？

目前來説，PSP獲得的數據量超出了預期，並且也獲得了一些初步的成果。2019年12月4日，一口氣發表了四篇Nature，包括：

Verscharen, Daniel(December 4, 2019). “A step closer to the Sun’s secrets”. Nature. 576(7786): 219–220.

Kasper, J. C.; Bale,S. D.; Belcher, J. W.; Berthomier, M.; Case, A. W.; Chandran, B. D. G.; Curtis,D. W.; Gallagher, D.; Gary, S. P.; Golub, L.; Halekas, J. S. (December 4,2019). “Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sunsolar wind”. Nature. 576 (7786): 228–231.

McComas, D. J.;Christian, E. R.; Cohen, C. M. S.; Cummings, A. C.; Davis, A. J.; Desai, M. I.;Giacalone, J.; Hill, M. E.; Joyce, C. J.; Krimigis, S. M.; Labrador, A. W.(December 4, 2019). “Probing the energetic particle environment near theSun”. Nature. 576 (7786): 223–227.

Howard, R. A.;Vourlidas, A.; Bothmer, V.; Colaninno, R. C.; DeForest, C. E.; Gallagher, B.;Hall, J. R.; Hess, P.; Higginson, A. K.; Korendyke, C. M.; Kouloumvakos, A.(December 4, 2019). “Near-Sun observations of an F-corona decrease andK-corona fine structure”. Nature. 576 (7786): 232–236.

主要作者涵蓋了四個載荷的首席研究員（PI，Principle Investigator），勞動和創造得到了公眾的認可。

這些成果大致來説，主要是測量了太陽的磁場，記錄了磁場不尋常的波動和短週期的變化，進而確認了，阿爾芬波（Alfvén waves），是驅動日冕加熱最可能的主要機制。

此外，通過觀察沿磁場方向運動的電子束，太陽磁場的方向反轉（太陽磁場很狂暴，南北極相互穿插，不是偶極場），與局部等離子體徑向速度的增加總是同時出現。

同時，觀測到的等離子體速度的環向分量也比預期的要大很多，這應當是粒子被太陽磁場拋射出來之後，被太陽的自轉加速形成的。

是不是感覺每個字都懂，連起來就不太好理解了？

沒事，感興趣的話，就去看看上面的四篇文章；實在很感興趣的話，就報考我們研究所的空間物理學專業，來和我的師兄師姐師弟們（沒錯還缺個師妹）一起討論呀！（記不清這是第幾次被領導拖走了。）

我們的征途是星辰大海，可不是説説而已。美國人已經走在了前面，我們就要更加努力！

待得那：

瘟君且乘紙船去，春風楊柳暖櫻紅；

攜手同心摘日月，巡天遙看一千河！

不管是月亮太陽星星，我們一起曬個痛快！