人类第一次接触太阳,帕克探测器距太阳这么近,为何没有融化?

原标题:人类第一次接触太阳,帕克探测器距太阳这么近,为何没有融化?

2021年4月28日,美国宇航局(NASA)的帕克太阳探测器成为有史以来第一艘通过坠入太阳大气层深处“接触”太阳的探测器。后来更是在2021年12月14日证实,帕克探测器已接近太阳并采样了粒子,并在此过程中测量了磁场,可谓是太空探索的一项开创性成就。

然而,众人心中最初的兴奋和好奇,很快就被一个好奇的问题所取代:探测器是如何在不融化的情况下“接触”太阳的?

帕克太阳探测器,第一次这么近!

NASA于2018年8月12日发射了帕克太阳探测器,旨在揭开太阳的秘密。该任务旨在研究太阳、它的大气层和太阳风。它的发射,标志着人类第一次前往恒星的旅程。从来没有其他探测器能如此接近我们的太阳,更不用说另一个太阳系的恒星了!它的质量为735公斤,只有一辆小型汽车的大小,是NASA历史上最轻、但也是最强大的探测器之一。

该探测器也是有史以来最快的人造物体,能够达到近69.2万公里/小时的速度。此外,帕克太阳探测器是NASA第一艘以活人命名的探测器——天体物理学家尤金·帕克博士,他在1958年预测了太阳风的存在。

经过无数次轨道和多次近距离接近,探测器终于“接触”到了太阳,但接触到太阳意味着什么?为了弄清楚这一点,让我们先来看看太阳的结构。

“触摸太阳”是什么意思?

将探测器降落在太阳表面是不可能的,因为与大多数行星不同,太阳没有固体表面。我们的太阳本质上是一个由过热气体和等离子体通过重力结合在一起的球体。太阳由七层组成——3个内层和4个外层。

太阳的内层由核心、辐射区和对流区组成。核心是太阳的发电站,在巨大的压力和温度下,核聚变为太阳提供燃料。辐射区,顾名思义,是核心辐射发出的层。

对流区是辐射以对流形式向外传播的区域。当热气体上升而冷气体下沉时,就会产生对流。

太阳的外层是光球层、色球层、过渡区和日冕。光球层被称为太阳的表面。这是我们在看太阳时“看到”的层,它形成了内层和太阳大气之间的边界。

日冕

色球层、过渡层和日冕形成了太阳大气。日冕是太阳大气的最外层,在日食期间可见。这层看起来尖尖且不规则,有点像皇冠。因此,它得名于冠冕的拉丁词——Corona。当我们说探测器已经接触到太阳时,我们的意思是它已经飞入了日冕。

日冕对科学家来说一直是个谜,因为它的温度几乎是太阳表面的300倍,尽管它的密度要小得多。科学家们对日冕的这种加热异常感到困惑,并相信帕克太阳探测器可以为这个谜团背后的科学提供一些见解。

现在,让我们深入探讨真正的问题……探测器是如何在没有融化的情况下做到这一点的?

热量与温度!

太阳本身是保证探测器安全的因素之一。为了理解这一点,这里解释一下热量和温度到底是什么。

热量定义了系统的总能量(动能+势能)。另一方面,温度是衡量系统平均动能的指标——衡量粒子运动速度的指标。例如,考虑一根燃烧的火柴和一杯热咖啡。火柴棒的温度较高,因为燃烧的粒子具有很高的动能,但热咖啡的热量更高,因为一杯咖啡中的粒子要多得多,这使得一杯咖啡所有粒子的总能量远高于一根火柴的总能量。

总而言之,仅仅因为某物具有高温并不一定意味着它具有高热能,传递的热量取决于系统中颗粒的数量和密度。

太阳的情况与此类似。日冕具有非常高的温度,因为粒子具有高动能。然而,日冕也具有低密度,因为高温粒子散布在大面积上。因此,相比之下,只有少数来自太阳的粒子会与探测器相互作用,从而大大降低了热损伤的风险。因此,即使日冕的温度达到100万摄氏度,它也只会将探头加热到1400摄氏度左右。

隔热罩!

就像我们用雨伞保护自己免受阳光照射一样,探测器使用了一种称为热保护系统(TPS)的先进隔热罩,它是一个2.5米宽、11.5厘米厚的碳屏蔽罩,可以保护探测器免受太阳的伤害。

隔热罩由轻质碳泡沫芯制成,夹在两块过热的碳-碳复合材料面板之间。防护罩的朝阳表面还涂有特殊的白色涂层,可反射大部分落在其上的阳光。而碳-碳复合材料由嵌入碳基体中的碳纤维组成。由于其重量轻、耐高温和结构稳定,这是用作隔热罩的最佳材料之一。泡沫芯几乎是97%的空气,可作为良好的隔热材料。因此,TPS可以承受高达1650摄氏度的温度。

太阳能传感器!

由于大部分探测器都位于隔热罩后面,因此即使是轻微的错位也会使整个探测器暴露在太阳的热量下。在这种情况下,不可能从地球上控制探头的方向,因为这需要很多时间。简而言之,那里的探测器是独立的。

因此,探测器有一个内置机制来检测它自己与太阳的对齐情况。七个太阳能传感器沿着探测器的边缘放置。当这些传感器中的任何一个检测到阳光时,它们都会向中央计算机发出警告,并且探测器会重新调整其位置。这样,仪器就可以免受恶劣的太阳环境的影响。

法拉第杯!

尽管大部分探测器都隐藏在隔热罩后面,但仍有一些部件勇敢地伸出来,将自己暴露在致命的太阳辐射下。这些部件是专门为承受它们将经历的所有热量和颗粒排放而制造的。

探测器最重要的部件之一是法拉第杯(Faraday cups)。这个杯子正对着太阳,用来收集和探测迎面而来的高能粒子。杯子由熔点非常高(2349摄氏度)的钼合金制成,其电网由熔点最高(3422摄氏度)的金属钨制成。

此外,为确保仪器的电线不会熔化,它们由铌制成并悬挂在蓝宝石水晶管中。

冷却系统!

显然,为飞向太阳的探测器提供动力的最佳能源就是太阳能本身。不过,过多的太阳能也可能是祸根,毕竟大量的阳光会过热并损坏探测器内的太阳能电池板。为了防止这种情况,太阳能电池板的设计方式是在近距离接近时缩回并仅将其表面的一部分暴露在阳光下,避免太阳光的过度吸收,同时仍为探测器提供充足的能量。

为了防止过热,探测器配备了一个强大的冷却系统:一个简单的冷却系统保护,该系统有一个加热的水箱、两个防止冷却液冻结的散热器、增加冷却表面的铝翅片和泵。这种冷却系统可以使太阳能电池板和其他设备保持低温和正常运行,它的强度足以冷却一个普通大小的客厅。而且冷却系统使用大约一加仑(3.7 升)的去离子水作为系统的冷却剂。探测器上的温度范围从 10 摄氏度 到 125 摄氏度,很少有液体能够在如此宽的温度范围内工作。作为预防措施,水将被加压以将其沸点提高到 125 摄氏度以上。

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