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【博評】William﹕帕克太陽探測器正式升空,近距離觀察太陽

發射任務由三角洲四號重型運載火箭負責。這次任務由於需要高速入軌,探測器需要多裝一節米諾圖型空間推進用火箭,雖然重獵鷹有更佳的運載力,但現時仍處原型發展階段,且搭載空間較小,也未發展整合接駁米諾圖空間推進火箭的固定架,故未被採用於行星際發射任務。(網絡圖片)

 


剛過去的8月12日,在延遲大約11小時後,美國太空總署發射最新型太陽探測器帕克號(Parker Solar Probe)前往太陽表面,進行人類史上最近距離的太陽觀測;在未來7年,它將以高橢圓軌道圍繞太陽至少24次,並於每次近日點對太陽進行近距離觀測。預料本年11月1日它將會第一次接近太陽,距離2500萬公里左右。隨後每次越過近日點,與太陽的距離將愈來愈接近,至最後一次繞日,近日點只餘600多萬公里,並將成為距離太陽最接近的人造物體。


組裝中的帕克號,全重730公斤。頂部隔熱盾下方的是水冷熱交換器。(JPL圖片)

 


這個太陽探測器以著名美國天文學家Eugene Newman Parker(尤金.派克)命名。他現年91歲,1950年代即預言太陽風的存在(這要到1960年代衛星上天時才能觀測得到),並認為太陽粒子會在太陽系內造成螺旋形的磁場,可說是現代太陽研究的先驅之一。今次也是太空總署首次以在世的人命名宇宙探測器。


關於這個探測器及其所帶備的五種科學儀器,分別針對磁場、光學、粒子計算與能量分析等重要任務,太空總署噴氣動力實驗室已有詳細資料介紹。然而,在特點及任務性質上,這探測器仍有值得令人稱道之處,茲述如下:


 


帕克號24次繞日軌道及相對速度示意圖。(WIKI圖片)

1. 最高速人造物體:


相對於其他太陽系探測器,帕克號的軌道十分特殊;通常太陽觀測器的軌道不是裝在同步繞地軌道、地月拉格朗日點的繞地軌道,就是繞日橢圓軌道,而且由於擔心太陽附近的高熱及高能量粒子衝擊,繞日軌道的近日點不會遠於水星軌道(0.38天文單位)。然而,由於帕克號是要觀測極近距離的太陽表面(但又不能墜入太陽表面去),探測器需要以更高的速度進入軌道,也需要多次借助地球、金星及太陽進行重力加速/減速,這亦讓帕克號成為史上最高速的人造物體,近日點最高時速可接近200公里/秒,遠日點時也接近17公里/秒(相對來說,現時離開太陽系的新視野號,秒速只有17公里左右,而史上第二快的人造物體 Helios-B也只有70公里/秒);若不是中途利用地球及金星進行重力減速,以再回到繞日軌道,這個速度足夠讓探測器跑到太陽系其他地方,甚至脫離太陽系有餘了。


高強度隔熱盾。(JPL圖片)

 


2. 超強隔熱能力


太陽大氣層頂的密度很低,但能量密度仍是地球軌道空間的630倍(1),而且粒子的溫度可高達數百萬度,不僅能量極高,速度亦高,器材表面很快會受高能粒子破壞及過熱。為保護儀器,帕克號的軌道只容許在近日點附近逗留短時間,而且為抵禦可能受到的高輻射熱力,帕克探測器具備一種全新的複合材料隔熱盾層(TPS),該熱盾厚11.43CM,主要以兩層特殊複合材料組成,中間夾著泡沫碳,再外覆一層特殊白色反光塗層,全塊隔熱板只重73公斤。反光塗層可以反射大部分能量,而兩塊複合材料其實是由大片切碎碳纖維以樹脂硬化成形,再以3000℃高溫將樹脂「燒」至蒸發,並重複燒焗4-5次,令碎碳纖維融合成一片純碳結構層。這個隔熱盾可抵受1300℃以上的高溫,後方的儀器只保持大約30℃的工作溫度。


另外,為減低機器的熱力,探測器採用水循環冷卻系統,將電池板及其他器材的熱力經水管中的水循環到熱交換器並輻射到外太空中。


光球層拋射出的閃焰。(網絡圖片)

3. 目標:日冕磁場光球層與色球層


根據天文學常識及現時的理論,和其他恒星一樣,太陽也是由核心極高重力及高壓區域的氫核聚變提供能量的,然後能量會以光子流的形式向外釋放,經過多輪撞擊後,光子流會在在離太陽表面20萬公里深的區域(對流層)被等離子體吸收,而等離子體會以對流形式傳送能量,結果在這一層中造成巨大的熱對流,造成太陽磁場及表面激烈的活動,而能量亦會在熱對流的頂點(天文學上會稱呼為米粒組織)被釋放,進入太空。


太陽結構圖。(網絡圖片)

而對流層中高能量等離子體的對流,正好造成巨大磁場。由於太陽是一團巨大氣體,加上自轉速度較高(大約24.5日轉一圈),赤道位置自轉比兩極快,會造成不同區域的磁場扭曲,甚至部分磁力線會纏在一起,對對流層造成巨大障礙,並形成太陽黑子;當磁力線糾纏太久並儲積太多能量時,它們會合併並釋放巨大的能量,形成嚴重影響太陽系及地球的太空氣象。帕克號最主要的研究對像,就是以上劇烈的太陽表面活動。


日冕的線條狀結構,其實是依著太陽磁場移動的帶電粒子。右圖是紫外光底下的日冕圖像,可見日冕不是平均分布的,南北極明顯較弱,部分地區(例如磁場薄弱區)甚至沒有日冕。(網絡圖片)

日冕就是太陽的大氣層頂端,延伸可達數百萬公里,然而天文學家一直無法完全解釋日冕的溫度會高於太陽表面數百倍,帕克探測器任務後期繞日軌道的近日點就會在日冕頂端掠過,同時研究為何日冕被加熱至這地步。日冕中的物質就是組成太陽風的物質,而太陽風亦對太陽系及太空氣象有重要影響力,甚至可以重塑沒有磁場防護的行星的環境,例如火星大氣與水份消散可說是由太陽風直接造成的;


其中一次CRE噴發圖,幸好這次CRE的噴射方向沒對準地球。(網絡圖片)

 


太陽磁場可說是探測器的研究重點。如前所述,磁場的擾動/互相干擾則可能影響等離子體在對流層中的運動,形成太陽黑子,磁場結合更可能釋放部分磁場能量,引發恒星表面強烈能量爆發,例如耀斑及CME(2),造成嚴重影響地球的太空氣像。然而,現時對太陽的光學及磁場觀測由於距離太遠,難以印證及詳細了解這個機制,唯有透過近距離觀察才能成事。研究磁場擾動及太陽色球層/光球層的動態,其實還有助詳細了解耀斑及CME的詳細爆發機制以及事前徵兆(如磁場異常等),可為大型太陽風暴作出更精確的預警,更能作出防範,減少人類文明可能承受的損失(3)



太空總署的講解片段


 


註1:地球軌度每平方米的太陽能量為1350瓦,但在帕克號的近日點(0.04天文單位)上是每平方米85萬瓦。


米粒其實是太陽對流層的對流熱柱,平均每個直徑500-1000公里。邊緣顏色較暗的地區是熱柱沉降區。(網絡圖片)

 


註2:耀斑其實就是太陽磁場合併時出現的能量釋放現象,包括電子、光及及其他基本粒子。如果耀斑能量太大,那就可能連太陽表面的等離子物質都可以給轟飛,以極高的速度飛入太空,是為CME(日冕物質拋射)。


一般認為,在卡靈頓事件中,地球磁場受猛烈衝擊並短暫弱化,大量帶電荷粒子衝入范亞倫幅射帶,部分甚至到達地面,並形成嚴重的電磁脈衝(EMP)。(網絡圖片)

註3:1859年9月1日的卡靈頓事件,是人類歷史上面對過最大的一次CME事件,當天中午前天文學家發現太陽表面爆發大規模閃焰,太陽物質在半天內就到達地球。當年人類未正式進入電力時代,但大量電報設施仍因接觸電流而損毀,全球熱帶地區都看到強烈極光,甚至發生大量原因不明的大火等。如果同樣規模的CME襲擊今日的地球,全球電力網及電子系統將會受到嚴重破壞。




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