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超近距太陽表面觀測任務—帕克太陽探測器

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撰文者:姚岳庭
發文日期:2019-01-11
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    眾所周知的美國太空總署NASA一直以來都致力於太空科學的發展與太空任務,舉凡月球、火星、木星、土星⋯⋯等太陽系的行星或其衛星都有NASA探測器的蹤跡,但在八大行星軌道的中心,有一顆距離我們最近的恆星——太陽,NASA的太陽探測任務計畫了大約60年的時間,直到今年NASA才發射帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe) 升空,飛往太陽附近並近距離觀測太陽表面。
     

    太陽提供生命所需的能量,使地球的生命從43億年前出現並逐漸演化至今日智人種的出現,太陽扮演著舉足輕重的角色。但人類對太陽的瞭解目前還有許多未解的謎團。而此次帕克太陽探測器的任務即為近距離觀測太陽,並試圖解開這些謎團。

     

    NASA的帕克太陽探測器於2018年8月12日發射升空,並開始為期七年的太陽探測任務。這架太陽探測器是以2018美國物理學會獎章獲獎者、同時也是其協會的研究員:尤金・帕克 (Eugene Parker) 所命名。

     

    在美國的學界中,美國物理學會成員與電漿物理學家對尤金・帕克這個名字都不陌生。尤金・帕克除了在今年獲得美國物理學會的特殊研究獎章,亦於2003年獲得於電漿物理學中的詹姆士・克拉克・馬克士威獎 (James Clerk Maxwell Prize),以及在1989年獲得美國國家科學獎章。尤金・帕克一生致力於太陽物理學領域,尤其是他提出日冕過熱的理論假設,使他獲得NASA的肯定,而將此太陽探測器命名為「帕克」。

     

    這是NASA首次以活人的名字命名太空任務。當帕克經由電話得知獲得此榮譽時,他表示在結束通話後,自己就只是坐著盯著牆壁發楞,感覺什麼不可思議的事情好像發生了。

     

    螢幕快照 2019-01-11 下午12.09.09
     

    (帕克太陽探測器正在進行發射前的測試)

     

            片刻之後,他逐漸回過神。帕克表示:「特別是在退休二十年之後還能受到如此榮譽,我感到非常受寵若驚。而帕克太陽探測器將在近距離太陽觀測中跨出一大步,我非常期待此次太空任務將帶來的樂趣。」

     

            帕克於1958年發表的論文中首創了「太陽風」這個詞,用以指稱從太陽高層大氣 (日冕) 中持續「吹」出的帶電粒子。然而,最初這個太陽風的想法被其他科學家所拒絕。在這篇論文發表後不久,1961年的Luna任務、Venera 1、和最後的Mariner幾個實驗觀測證實了太陽風的存在。

     

            除了發展太陽風的理論,帕克還試圖解釋困惑太陽物理學家數十年的太陽表面溫度差異問題:為什麼日冕的溫度比太陽表面高?

     

            太陽的可見表面 (光球) 溫度大約6,000 K,但日冕的溫度明顯高出光球許多,日冕溫度大約在100萬克爾文 (1,000,000 K) 到200萬克爾文 (2,000,000 K) 的之間。這是讀物理的學生早期都會知道的一個難題,但是什麼原因造成如此奇怪的現象?

     

            一般而言,競爭此問題解答的理論可分為三大類:第一類稱為磁流體動力學震盪 (阿爾文波,Alfven waves) 可以加速帶電粒子,使得日冕上的帶電粒子在微觀中加速震盪,巨觀上溫度便升高了,而這種加速震盪甚至能使粒子脫離太陽重力的束縛,被拋向太空形成太陽風;第二類稱為「微閃焰」,他是一種相對較小的太陽閃焰;而第三類是太陽磁場重組的過程,在這段過程磁力線會糾結在一起並相互纏繞,直到磁力線彈回更直、相對更穩定的狀態。帕克太陽探測器將會測試前兩類理論,而第二種理論正是尤金・帕克在他發表太陽風理論的30年後所提出。

     

            為了深入瞭解這三類機制如何組合使太陽風獲得動力,帕克太陽探測器攜帶四個儀器組:FIELDS用以捕捉太陽電場與磁場的強度與規模;WISPR則是一種廣角相機,用以拍攝從太陽表面射出的物質;SWEAP可蒐集太陽表面拋射出的電子、質子、與α粒子;而IS☉IS則用來偵測SWEAP所蒐集到粒子的能量。

     

            帕克太陽探測器將會成為至今所有任務中最接近掠過太陽的一次任務,其軌道設定會多次以接近橢圓軌道繞行太陽 (繞行軌道影片:https://youtu.be/cMNQeCWT09A),而最後三次繞行最近僅距離太陽表面620萬公里 (大約為水星軌道半徑的1/10)。這是1976年美國與德國合作的太空計畫——Helios 2離太陽的最近距離的1/7 (當時離太陽表面最近距離約為4,300萬公里)。當帕克太陽探測器飛過太陽附近的各個區域時,可望蒐集到相關數據去瞭解導致太陽日冕過熱的機制。

     

            帕克探測器與太陽的距離如此接近,想必要有一套良好的隔熱設備,才不至於使內部的儀器過熱損壞。而NASA在今年六月為它裝上一套由兩層碳複合材料夾著11.5公分碳發泡體厚芯構成的隔熱罩,並在面向太陽的一面塗上特殊塗層,用以反射太陽輻射。由於與金星相遇時將會藉由重力助推效應,使帕克太陽觀測器加速且能更接近太陽表面,屆時它的速度將達到時速69萬公里,成為史上最快的人造飛行器。因此若探測器過重,則受到太陽的引力便越大,越不容易進入軌道,所以全隔熱設備的重量只有72.5公斤。

     

            帕克沉吟道:「十年後我們將能更瞭解太陽活動以及其在地球附近造成的現象。」

            在這段期間,帕克太陽探測器會如它的名字一般繼續研究太陽。探測器將以循環的軌道路徑運行,包含七次與金星的相遇、與三次最接近太陽的觀測。而帕克太陽觀測器的觀測數據將可能解決日冕過熱的問題,並解決幾十年前相關的爭論;也可能帶來關於太陽本質的新問題。可想而知,帕克太陽探測器將會成為人類理解自然的一個重要里程碑。

     




    感謝American Physical Society授權物理雙月刊翻譯本文並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。
    編譯者︰姚岳庭
    原文刊登於APS News October/2018
    https://www.aps.org/publications/apsnews/201810/parker-probe.cfm?fbclid=IwAR2TQbmxs2b7eCbKjkdGs9crNZZmqbY-YgfXiKcUB7NEhQbNVzHFIxr2ymE

     

     


     

     

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