SP太陽探測器

太陽探測器（SP）是第一個飛入太陽日冕的飛行器， 僅僅位於太陽表面上方3個太陽半徑處。太陽探測器的儀器 探測它們遇到的電漿、磁場和波、高能粒子和塵埃。它們也對太陽探測器軌道附近以及日冕底部的偶極結構的日 冕結構成像。

基本介紹

• 中文名：SP太陽探測器
• 外文名：Solar detector
• 太陽探測器：監測太陽風和日冕

簡介

SP太陽探測器

SP太陽探測器

對於人類來說，太陽是既熟悉又陌生的星球。為了解答有關太陽的最深層謎團，美國航宇局準備在2018年前發射一個名為SP+的太陽探測器，讓它冒險進入太陽那炙熱的大氣，在被太陽散發的巨大熱量摧毀之前收集地球“母星”的重要信息。

計畫

計畫提出

自20世紀90年代中期以來，美國航宇局和歐洲空間局間的聯合項目太陽和日球層探測器(SOHO)以及美國航宇局的高新化學組成探測器(ACE)和風太陽探測器(WIND)就開始不斷地監測太陽風和日冕。然而，它們只能從安全距離——到地球的距離只有日地距離的1%——之外來觀測太陽。為了能真正捕捉到太陽大氣的複雜性，SP+不能如此的膽怯。

把一個探測器送往比先前最靠近太陽的探測器距離還要小8倍的地方聽上去就像是一次自殺式的任務。而在如此近的距離上，它會一頭扎入太陽日冕——太陽的外層大氣，那裡的溫度在100萬～200萬攝氏度之間。這正是美國航宇局計畫於2018年前發射的“太陽探測器+”(SolarProbeplus，簡稱SP+)所要做的。
2010年9月公布了SP+上所要進行的實驗，科學家們為之興奮不已。對於太陽物理學而言，SP+堪稱是哈勃望遠鏡級別的任務。如果一路上能夠倖存下來，SP+將有望回答一些長期以來困擾著天文學家的難題。這是人類第一次可以觸摸、品味、嗅聞我們的太陽。

實施難題

大小和賓士精靈車差不多的SP+目前仍處於建造“階段A”，還有許多工作要做。對於其設計者來說，最關鍵的問題是，它是否能抵禦如此極端的高溫?
幸運的是，日冕中離子的密度非常低，尚不足地球海平面處大氣分子密度的六千萬億分之一，不會對SP+造成嚴重的破壞。類似的，同是50℃的水和空氣，由於水的密度要比空氣大得多，因此水感覺起來也會熱得多。於是，對於SP+來說，危險其實來自太陽自身的熱輻射。

SP太陽探測器運行軌跡

SP太陽探測器運行軌跡

在為期6年的任務中，SP+會多次利用金星的引力助推來逐漸靠近太陽，它從太陽近處飛過的次數將達到24次。那么SP+究竟會有多靠近太陽?探測任務的設計以及金星的引力使得它到太陽表面的距離不會小於8.5個太陽半徑。也就是說，當SP+抵達其距離太陽最近的那一點(近日點)時，它到太陽表面的距離大約是6百萬千米。在這個距離上，太陽會比從地球上看大23倍，當地的太陽亮度和熱量則會高出500倍。

如果想在如此嚴酷的高溫和輻射下生存，SP+顯然不能“赤膊上陣”。整個探測器將被置於一塊直徑2.7米、厚15厘米由碳泡沫複合材料製成的防護罩之後。這一巨大的“太陽擋板”必須要能抵禦超過1400℃的高溫和強烈的輻射。SP+上的絕大多數儀器設備都會躲在這塊擋板的後面來進行探測。然而，令人無法置信的是，這樣一層防護罩卻可以把探測器的溫度維持在室溫的水平上。
SP+是由美國約翰·霍普金斯大學的高新物理實驗室設計建造的。由於之前從來沒有發射過類似的探測器，因此設計團隊必須要從零開始。在設計的過程中，強照度、輻射以及塵埃的撞擊都必須要考慮，而在絕大多數情況下對這些空間環境的了解卻非常少。
多方面的建模、測試和創新成了設計的主旋律，而其中的核心則是平衡。SP+任務中所遇到的所有挑戰都可以被各個擊破，但真正的困難是要同時擺平它們。

肩負使命

使命之一

搞清日冕為何一面在“沸騰”一面是“冰凍”
20世紀60年代，觀測發現由太陽噴出的連續帶電粒子流(德國天文學家路德維希·比爾曼將其稱為“太陽風”)存在一個從亞音速到超音速的突變。此前理論天體物理學家尤金·帕克在50年代第一個預言了太陽日冕會出現這樣的一個跳變。然而在此前後，類似SP+的一個探測任務的構想便被首次提了出來。
1958年，美國科學院辛普森委員會就提出了一個可以來回答這些問題的探測任務，它會在距離太陽只有4個太陽半徑處來測量太陽粒子和磁場。雖然在當時看似是一個了不起的想法，但最初的方案還是太過冒進了。目前的計畫則有所改變。SP+將會前往太陽系中還從未被探訪過的區域，而驅使著它的兩大謎團是日冕的高溫和太陽風令人不解的加速。這是長期折磨著太陽物理學家的兩大難題。
日冕中的粒子看上去似乎是從不同的方向被加熱的。日冕中垂直於磁場方向的電漿溫度要比沿著磁場的高出10倍或者20倍。這就好像有一桶水，從一個方向上看它在沸騰，而從另一個方向上看它卻同時又是冰凍的。

使命之二

尋找超音速太陽風來自哪裡
第二大主要目標超音速太陽風是與第一個相關的。這主要是一場太陽引力和日冕中粒子壓強的較量。日冕的溫度越高，其中電漿的壓強就越大，由此就會產生超音速太陽風。換句話說，高溫粒子的速度在距離太陽表面一定的高度上可以達到逃逸速度。但即便採用帕克所提出的機制，仍然有許多有關太陽風加速的事情至今仍搞不清楚。例如，沒有額外的能源很難解釋高速太陽風的成因。
也許用大視場照相機拍攝日冕的360度像會對解決這些問題有所幫助，而這正是SP+大視場成像儀(WISPR)的目的。當它掃過日冕的時候，WISPR將對它進行斷層成像，不過其成像跨度只能達到90°～150°。
SP+在其24次的近日點飛掠過程中都會進行這一觀測。但如果你等不及到2018年的話，可以看看美國航宇局的日地關係觀測台在2011年2月提供的首幅360°的全太陽和日冕像。那么既然如此，為什麼還需要視場有限的WISPR呢?因為過去還從來沒有一個探測器能在如此有利的位置上以這樣高的解析度觀測過太陽，這對於了解日冕物質拋射的磁場屬性十分重要。