人类最快探测器与太阳上演最近距离接触

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本文转自微信公众号“量子位”，作者：关注前沿科技。
克雷西 一水 发自 凹非寺
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新的历史诞生了。

人类史上最快的探测器，首次到达距离太阳最近的地方——

离太阳表面仅有610万公里，相当于地球和太阳之间平均距离的4%。

NASA Sun官宣，北京时间晚上7时53分，帕克太阳探测器（Parker Solar Probe，PSP）正在飞越新的近日点。

此前，从未有人造物体以如此近的距离靠近一颗恒星，此次飞越以192公里每秒（光速的0.064%）的速度进行，将人造物体的最高飞行速度推上了新的台阶。



据NASA介绍，PSP将彻底改变人类对太阳的理解。

一直以来，它的科学目标是飞跃太阳，观测太阳大气的最外层——日冕。

2021年，它首次飞跃日冕，采集到了那里的粒子和磁场数据，成为人类历史上首个接触太阳的航天器。

此次飞跃正值太阳活动周的极大期，PSP将收集测量数据和图像，以便人类更深入地了解太阳风的起源和演化。

飞跃过程中PSP会与地面失去联系，整个流程需要依靠自主控制来完成。

如果成功，PSP发出的第一个返回信号将于当地时间12月27日到达NASA。
人类史上首次接触太阳

人类历史当中，PSP是飞行速度最快的航天器，也是首个接触太阳的航天器。

协调世界时（UTC）2018年8月12日07时31分（北京时间下午15时31分），重685公斤的PSP在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。

发射后两个多月，PSP就成为了有史以来距离太阳最近的人造物体，打破了Helios 2号航天器于1976年4月创下、保持了40多年的纪录。

此后这个纪录又不断被PSP自己打破，2021年它首次飞越了日冕，成为人类历史上首个接触太阳的航天器。

此次飞越近日点时，PSP离太阳的距离又创下了新的纪录，并且速度达到了192公里每秒（光速的0.064%），相当于不到10秒钟就能从北京飞到广州。



帕克太阳探测器的命名，是为了纪念天体物理学家尤金·纽曼·帕克（Eugene Newman Parker）。

他是现代太阳风和磁重联理论的奠基人，提出了纳米耀斑的存在，作为日冕加热现象的解释，1956年基于数学理论发现并命名了太阳风，后来被航天器测量所证实。

PSP是NASA第一艘以（当时）在世人物命名的航天器，2022年3月，94岁的帕克在芝加哥逝世。



回到探测器本身，它的设计目的是在距太阳表面约650万公里的范围内俯冲，追踪能量流，研究日冕的加热，并探索加速太阳风的因素。

该任务将为困扰科学家60多年的长期问题提供答案——

为什么日冕比光球层热得多？太阳风如何加速？高能太阳粒子的来源是什么？

注：太阳由内而外依次由核心、辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成，光球层之下称为太阳内部，光球层之上称为太阳大气。

为了给这些问题搜集数据，PSP主要携带了四种仪器——电磁场探测器FIELDS、太阳综合科学调查工具IS☉IS、宽视场成像仪WISPR，以及太阳风粒子（质子、电子、阿尔法粒子）计数器SWEAP。

搭载这些探测器，旨在研究磁场、等离子体和高能粒子，并对太阳风进行成像。



同时为了避免被太阳辐射损坏，PSP及其仪器采用了11.43厘米厚的碳复合材料防护罩，可承受近1377摄氏度的高温。

有意思的是，在PSP高增益天线下方的铭牌上还安装了一块包含超过110万人名字的存储卡，其中还存储了帕克的照片，以及他1958发表的论文副本。


△帕克探测器3D模型，来源：NASA

PSP依靠金星重力辅助实现对太阳的接近，逐渐降低其轨道近日点，以达到约8.5个太阳半径（约600万公里）的最终高度。

PSP已经完成了七年内七次对金星的飞越，目的是逐渐缩小其绕太阳的椭圆轨道，到任务结束时将一共围绕太阳飞24圈。


△来源：维基百科，作者：Phoenix7777

2018年10月3日，PSP第一次飞跃金星，一个多月后的11月6日以95公里每秒的速度第一次到达近日点。

此后PSP又六次飞跃金星，最近一次是在今年的11月4日；二十一次到达近日点，今天之前的最近一次在今年九月，速度为每秒176公里。

在这过程当中，PSP在2021年首次飞越日冕并采集了数据，成为人类历史上首个接触太阳的航天器，此后PSP又执行了多次飞越日冕的操作。



7年多的飞行时间，PSP已经取得了不少的发现：

2018年11月6日，PSP观测到其首次太阳风磁场逆转（仅指PSP的首次，并非人类首次）；

PSP发现了距太阳半径560万公里的宇宙无尘区的证据；

2021年4月28日，PSP在18.8个太阳半径处遇到了特定的磁场和粒子条件，表明它穿透了阿尔文表面；

2022年9月25日，PSP的图像中首次发现了彗星，这颗彗星被命名为PSP-001；

自此，帕克太阳探测器拍摄的图像中又陆续发现了19颗掠日彗星，其中包括两颗非群彗星；

今年，在PSP观测到的日冕物质抛射过程中检测到了开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI），这是第一个探测到这一长期理论事件的航天器。

注：KHI是指在有剪力速度的连续流体内部或有速度差的两个不同流体的界面之间发生的不稳定现象，如风吹过水面时水面上表面的波的不稳定现象。

如果此次飞越取得成功，NASA将在27日收到PSP的返回信号，获取到的数据和图像将于明年1月开始传回地球。

明年3、6、9、12月，PSP还将四次飞过近日点。
最早追溯至1958年，因成本原因一再推迟

事实上，帕克太阳探测器的概念最早可以追溯到1958年的一份报告。

当时报告中提出了包括“一个太阳探测器通过水星轨道内部以研究太阳附近的粒子和场”在内的几项太空任务。

直到七八十年代，虽然这项研究的重要性被再次肯定，但由于成本原因一直搁置。

后来进入90年代，当时又探索了降低成本的太阳轨道飞行器任务，且追求能力更强的太阳探测器任务成为NASA 90年代末制定的外行星/太阳探测器 (OPSP) 计划的核心内容之一。



确定想法后，最初的探测器计划利用木星的重力辅助进入几乎直接落向太阳的极地轨道。

但是，由于太阳辐射强度的极端变化，任务成本变得高昂，甚至需要放射性同位素热发电机来供电。

而且更麻烦的是，前往木星这项任务本身就很耗费时间。

转机来自2010年初，太阳探测器任务被新纳入成本较低的Solar Probe Plus计划中。

同时这一次使用金星重力辅助来实现更直接的飞行路径，该路径可由太阳能电池板供电。

它具有更高的近日点轨道，这减少了对热保护系统的要求。

再到后来，2017年5月，为了纪念天体物理学家Eugene Newman Parker，该航天器正式更名为帕克太阳探测器。（之前为Solar Probe, Solar Probe Plus或者Solar Probe+)

对了，就在当年10月，Parker教授还现场参观了这台探测器。


△来源：NASA

而回到此时此刻，帕克太阳探测器再一次创造了历史。

参考链接：
[1]https://x.com/NASA/status/1871312602883621217
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Parker_Solar_Probe
[3]https://science.nasa.gov/mission/parker-solar-probe/
[4]https://eyes.nasa.gov/apps/solar-system/#/story/psp_perihelion

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