人类历史首次！帕克探测器以最近距离访问太阳！

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原创 川陀太空 科普中国

据 NASA 消息，帕克太阳探测器近日以每小时 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

研究太阳动态：

抵近日冕区探测粒子！

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，我们目前所知的生命形式就不可能存在于地球表面，人类文明也不可能出现。

同时，太阳的日常行为又直接影响着人类文明，任何一个微小的异动，都可能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季更替，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心在 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、航天活动等受到不同程度的影响，如果日冕物质抛射到达地球附近时，甚至会形成地磁暴。

掌握太阳的行为规律，对于规避这些极端空间天气事件有显著帮助，尤其对于在轨道上工作和生活的航天员。从远期看，人类进入行星际空间（比如从地球前往火星），也需要掌握太阳活动的动态，否则就可能危及航天员的生命安全。

太阳本身就存在诸多未解之谜，在近半个世纪的时间里，科学家们对日冕“离奇”的高温困惑不已：按理来说，日冕区域距离太阳表面更远，温度应该更低才对……

但是，事实并非如此！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，探测到流经该区域的粒子情况，研究日冕区域的空间环境，以及发现驱动能量流动的机制等。

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，可以在真空中捕获带电粒子，结合其他设备可对这些粒子速度、密度和温度进行测量，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调查装置、广域成像仪等，在探测器抵近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速实施绕日轨道飞行。图片来源：NASA

日冕、太阳耀斑、太阳风……

“牵一发而动全身”？

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，围绕着太阳并一直延伸到太阳表面上方数百万公里的位置，日全食期间，我们可以通过日冕仪观测到这里。

日冕并非总是均匀分布在太阳表面，在太阳活动的平静期，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关，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。当耀斑形成的时候，会释放储藏在日冕中的磁场能量，并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，太阳的活动有着“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活动有关，更可能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近日冕层的原因之一。

从探测器执行的任务来看，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、太阳风能量流的加速来源、太阳风源区磁场的变化规律，以及日冕中观测到的结构是如何演变成太阳风、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。

“接近”太阳，

我们需要防护“材料”

由于日冕温度极高，探测器要穿过这片区域，首先要有足够有效的热防护措施。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。

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，避免被高温影响。

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。碳复合材料防护罩采用碳复合泡沫和碳板制造，涂上白色陶瓷漆，能够尽可能的反射更多的热量。

帕克探测器的热防护罩。图片来源：NASA

这里可能有人会提出疑问，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，高温对应的是粒子可能有很快的移动速度，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。即便如此，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

为了能捕捉到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。科学家采用钛锆钼合金制造了法拉第杯，进一步提升可承受温度，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，比如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。

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楚

策划制作

出品丨科普中国

作者丨川陀太空 科普创作者

监制丨中国科普博览

原标题：《人类历史首次！帕克探测器以最近距离访问太阳！》

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来源：科普中国

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