人类探测器第一次离太阳如此之近！它为什么没有被融化

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出品：科普中国
作者：川陀太空（科普创作者）
监制：中国科普博览
编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。
据NASA消息，帕克太阳探测器克日以每小时69.2万公里的速度穿过了太阳外层大气，飞行高度仅距太阳表面380万英里（610万公里），这是人造物体第一次抵近如此靠近太阳的区域，而且比任何人造物体的移动速度都快。
根据NASA的数据，这个记录的第二名是Helios 2太阳探测器，在1976年4月飞抵距太阳表面约4300万公里的位置，可见帕克太阳探测器这次抵近太阳探测，比之前的探测器更加靠近太阳表面。



帕克太阳探测器的外形，顶端是一个隔热防护罩
（图片来源：NASA）
那么610万公里是个什么概念呢？我们来看一组数字。与太阳自身参数对比，太阳的半径大约为70万公里，这意味着帕克太阳探测器已经抵达约8.7倍半径处，这个位置处于太阳大气层的最外层：日冕层，其厚度可达到数百万公里以上。与太阳系行星对比，水星是距离太阳最近的行星，与太阳的距离约5800万公里，610万公里接近水星与太阳距离的十分之一。



帕克太阳探测器进入日冕区域的想象图
（图片来源：NASA）
为什么要如此靠近太阳展开研究？
我们研究太阳，第一推动力是太阳是太阳系内唯一的恒星，如果没有太阳，我们现在所知的生命形式就不大概存在于地球表面，人类文明也不大概出现。
同时，太阳的日常举动又直接影响着人类文明，任何一个微小的异动，都大概对地球上的生命构成影响。我们所熟知的恒星周围的宜居带（地球就位于太阳系的宜居带范围内），就由与恒星的距离、恒星类型等多个参数决定。即便是太阳光直射点在南北回归线之间移动的微小变化，也能影响到地球上的四序更替，恒星对周围行星的影响是显而易见的。



太阳表面释放的X级耀斑图像，右侧极为明亮的闪光点为耀斑释放
（图片来源：NASA）
我国国家空间天气监测预警中央在2024年5月6日预报，太阳爆发了一次X4.5级强耀斑，会导致我们日常所依赖的导航系统、通信系统、供电设施、输油管线、航天运动等受到不同程度的影响，日冕物质抛射到达地球附近时，以致会形成地磁暴。
掌握太阳的举动规律，对于规避这些极端空间天气事件有显著的帮助，尤其是在轨道上工作和生存的航天员。从远期看，人类进入行星际空间，好比从地球前往火星，也需要掌握太阳运动的动态，否则就大概危及航天员的生命安全。
从太阳本身所存在的诸多未解之谜角度看，科学家在近半个世纪对日冕离奇的高温困惑不已，日冕区域距离太阳表面更远，按理来说温度应该更低。但事实却并非如此，日冕温度可高达上百万摄氏度，比太阳表面的温度都要高（太阳表面只有5500摄氏度），两者形成了巨大的反差。当日冕爆发太阳耀斑时，会迸射出比正常情况更多的能量，最终与地球大气层接触，导致电网、卫星通信等受到极大影响。



这是在2017年8月日全食期间拍摄的日冕及其周围延伸射流
（图片来源：WIKI）
要想找到这些问题的答案，就需要探测器深入太阳日冕层附近，这样才能探测到流经该区域的粒子情况、研究日冕区域的空间环境、以及发现是什么机制驱动了这些能量的流动等。为此，帕克探测器携带了法拉第杯，这是一种用于测量太阳风的离子和电子通量以及流动角度的传感器，可以在真空中捕捉带电粒子，结合其他设备可对这些粒子速度、密度和温度举行测量，从而掌握日冕区的基本情况。
帕克探测器还携带有电场和磁场观察装置、广域成像仪等，在探测器抵克日冕时展开多种科学研究项目。为了抵近太阳日冕区域，帕克探测器利用的方法是多次利用金星的引力助推，在24次绕日轨道飞行中，逐渐缩小与太阳的距离，最终达到最靠近太阳表面的轨道位置。



帕克探测器利用金星引力加快实施绕日轨道飞行
（图片来源：NASA）
何为日冕、太阳耀斑、太阳风暴和太阳风？
帕克探测器抵近距太阳表面610万公里的位置，该区域属于太阳的日冕层，是太阳最外层的大气结构，是一片炽热的充斥着等离子体的区域，围绕着太阳并不停延伸到太阳表面上方数百万公里的位置。在日全食期间，我们可以通过日冕仪观测到，但日冕并非总是均匀分布在太阳表面，在太阳运动的平静期，主要出现在太阳的赤道附近，在活跃期可出现在赤道和极区。
太阳耀斑与日冕息息相干，耀斑是太阳盘面或者边缘观测到的突发闪光现象，围绕在太阳黑子附近的强磁场区域。当耀斑形成的时间，会释放储藏在日冕中的磁场能量，而且形成可携带大量微粒的太阳风，如果方向朝向地球，就会撞击地球的电离层引发极光。耀斑分为A、B、C、M、X五个等级，X级最高，能量可相当于数十亿颗以上的氢弹爆发所产生的能量。太阳风暴是以上这些事件的综合，可指太阳耀斑爆发、日冕物质抛射事件等。



太阳风袭击地球的想象图
（图片来源：WIKI）
可以看出，太阳的运动有着牵一发动全身的特点，日冕物质抛射通常与太阳耀斑等其他形式的太阳运动有关，更大概牵涉到太阳内部的能量传递，其中的联系机制仍然需要进一步研究，这也是帕克探测器近距离靠克日冕层的原因之一。从探测器所执行的任务角度看，通过帕克探测器传回的数据，科学家试图确定日冕的加热机制、加快太阳风能量流的来源、太阳风源区磁场的变化规律、日冕中观测到的结构如何演变成太阳风、高能粒子如何在日冕与其他太阳大气结构之间传递等问题。
探测器要做哪些防御措施才能靠近太阳？
由于日冕温度极高，探测器要穿过这片区域，首先要有足够有用的热防护措施。科学家通过研究发现，探测器穿过太阳周围的日冕区域，隔热罩表面温度只会被加热到大约1400摄氏度，为此科学家设计了一个11.43厘米厚度的碳复合材料防护罩安装在探测器前端，最高可承受1650摄氏度的温度，大部分仪器设备都躲藏在防护罩后面，制止被高温影响。
科学家通过计算，躲藏在防护罩后方的环境温度，只有大约30摄氏度，可以保护仪器设备不被日冕高温影响。碳复合材料防护罩接纳碳复合泡沫和碳板制造，并涂上白色陶瓷漆，尽大概反射更多的热量。



帕克探测器的热防护罩
（图片来源：NASA）
这里大概有人会提出疑问，为什么日冕有上百万摄氏度的高温，但是探测器防护罩只需要承受约1400摄氏度即可，这岂不是有些矛盾吗？
这里涉及到热量和温度的概念，在太空中，温度可以达到数千摄氏度，但不会给物体提供大量的热量，温度是基于对粒子移动速度的测量，热量则是对这些粒子传输总能量的测量。所以，高温对应的是粒子大概有很快的移动速度，但如果粒子数量很少，就不会传输太多的能量，这会导致热量不高。由于太空中大部分是真空，很少有粒子可以将能量传递给探测器的防护罩前端，当帕克探测器穿过有着上百万摄氏度的日冕区域，虽然温度极高，但粒子密度很低，科学家经过计算，隔热罩前端只需要能承受约1400摄氏度即可。即便只需要承受约1400摄氏度即可，但对人造材料而言，这也是非常高的耐热温度，相比之下，火山喷发的熔岩温度还略低一些。



帕克探测器穿过日冕区域的想象图
（图片来源：NASA）
为了能捕捉足够多的太阳风粒子，收集粒子的法拉第杯可不能躲在隔热罩后面，否则就无法收集到粒子。科学家接纳钛锆钼合金制造了法拉第杯，将可承受温度进一步提升，使其能直接暴露在日冕区域的强辐射环境下。由此看出，探索外侧空间的基础之一就是材料学，当有了能抵御极端日冕区域环境的材料，我们就能进入到这个空间展开科研探索。这个路线同样适用于太阳系内的其他天体，好比有着强辐射和极端寒冷环境的木卫二，以及大气压是地球近百倍的金星表面等等。
参考文献：
1. 我们的太阳：事实
2. 前往太阳：帕克太阳探测器为何不会融化？
3. 深入探究：帕克太阳探测器
4. 帕克太阳探测器创历史最近距离飞越太阳
5. 维基百科：耀斑
6. 关于太阳耀斑，你关心的问题一次说清晰

来源：https://view.inews.qq.com/k/20250402A02Y8Y00
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