飞上天，和太阳肩并肩_风闻

文章来源丨中科院地质地球所

2020年1月29日，NASA的探测器，Parker Solar Probe，第四次到达了它的近日点，距离太阳约1940万千米，约合28个太阳半径，再次打破由它自己保持的，人类探测器距离太阳最近的记录（距离2480万千米）。

Parker Solar Probe（简称PSP，如此童年回忆的一个名字），作为目前最接近太阳的人类探测器，正在源源不断地向我们发送有关太阳的各种科学数据，促进人类加深对太阳的理解和认识。从科学的层面来讲，这是人类最先进的探测器之一。恰逢它刚刚美美地晒了几天的太阳，而小编我还在家中闭关，快要发霉。

今天，就来介绍介绍这颗，与太阳肩并肩的探测器。

一、任务目标和****历史

本来PSP这枚探测器的名字只是“Solar Probe+”，但在2017年5月，正式更改成了现在的名字。其现在的名字来源于天体物理学家Eugene Newman Parker，他是“太阳风”（Solar Wind）这个词的发明人。PSP是NASA迄今为止，第一个，以还健在的科学家的名字命名的探测器，不得不说这是一种荣誉了。

EugeneNewman Parker（前排）正在观看Parker Solar Probe发射

深空探测这件事情，不仅仅是一件科学的事情，因为耗资巨大，更需要大量的人力、物力，所以，深空探测更是一件需要政治的事情。

1958年，NASA就计划一个探测太阳的计划。计划发射一个轨道器（Solar Orbiter），深入到水星的轨道之内，在太阳的近旁，研究太阳的粒子、场的特性。当然，当时的美国人，航天事业也是刚刚起步，这一计划主要是一种设想规划，并没有实际能力去实现。

到了1970年代和80年代，后续的研究更加证明了研究太阳的重要性，人们发现，太阳风对整个太阳系的演化、对地球环境的影响意义重大。

**壮丽的太阳日冕物质抛射（CME）。**艺术想象图。

过去，由于人类一直生活在地球磁场的庇护之下，几乎没有对太阳风的认识。直到1959年苏联的Luna-1号探测器离开地球，进入环绕太阳的轨道，人类才第一次观测到太阳风。如此重要，却又如此陌生，了解太阳变得极为重要——然而，太阳轨道器的计划一直由于过高的资金需求而被不断搁置。

人类第一颗飞出地-月系的探测器，前苏联Luna-1（又名Мечта，梦想）的复制品

1990年代，太阳轨道器任务被重新评估，改成了成本更低的太阳探针（Solar Probe）任务，作为外行星/太阳探针计划（OPSP）的一部分。结果这个计划在2003年，被乔治布什的联邦预算要求整个取消了。人类文明的广度，又一次不得不屈服于钞票的厚度。

到2010年代初，太阳探针计划被重新纳入了一个更低成本的“太阳探针+”计划中（Solar Probe+），终于得以实施。预算成本一降再降，就算这样，到了发射的时候，整个Parker Solar Probe的造价也达到了15亿美元。

2018年8月12日，UTC时间07:31，Parker Solar Probe终于搭乘德尔塔4号重型运输火箭，呼啸升空。

Parker Solar Probe发射升空

二、探测器的构造

Parker Solar Probe的艺术想象图

作为一个要跟太阳肩并肩的探测器，PSP最显眼的特征，就是脸上顶的那个大罩子。上面这张艺术想象图中，对着太阳的那部分就是。

这个大罩子主要由“强化碳-碳”材料制作，可以耐受1370摄氏度以上的高温。如果PSP能够最终到达设计的最低近日点——690万公里，它已经部分进入日冕外层了，其所在位置的太阳辐射功率将达到约650kW/m2。要知道，家里的微波炉功率一般才1kW，这相当于在1平米之内摆了650个微波炉对着探测器BBQ，这谁顶得住？

PSP的所有重要部件和科学载荷，都要躲在这个大罩子的阴影之下“乘凉”，否则，整个探测器将在十几秒之内完全烧毁。考虑到就算是电磁波，从探测器那里传到地球也需要大概八分钟，探测器不能依靠地面指令，必须智能地自己调节自己的姿态，始终用罩子正面对着太阳。探测器上安装了4个光传感器，实时感应阳光的方向，实时自动调整姿态——这也使得PSP被称为是迄今最智能的探测器。

Parker Solar Probe的热防护罩正在接受热试验

探测器携带有两组太阳能电池板。主太阳能电池板只在距离太阳0.25个天文单位之外才会打开，距离太阳很近的时候会收回，防止烧毁。而副太阳板负责在距离太阳很近的时候供电——这副电池板是靠液冷系统冷却的。

**左：****Parker Solar Probe在近日点看到的太阳 VS 右：**地球附近看到的太阳

除此之外，从艺术想象图中我们可以看到，探测器后面还伸出一条长长的尾巴——这是探测器的伸杆，伸杆上安装着磁强计等需要洁净电磁环境，远离探测器主体的科学载荷。接下来，我们就大概看一看PSP的科学载荷。

三、有效荷载

PSP的主要有效载荷

研究太阳风，最重要的是什么呢？某种意义上来说，最重要的是磁场。

太阳风是看不见摸不着的粒子流，但是我们却可以通过观察磁场的变化，来观察太阳风的流动。在理想的情况下，太阳风粒子，是完全“冻结”在假想出的“磁力线”上的，太阳风将会和磁场同步运动，一起传播，因此测量磁场，就是在测量太阳风。当然，现实的情景远比这复杂，也就需要更全面的测量。PSP携带了FIELDS科学组件，用于完成对场的综合测量。

**图注：PSP的FIELDS科学测量组件（****包括热罩附近伸出的四支电场测量天线、伸杆接近末端的1支电场测量天线electric

antenna，原位测量探测器所在处的电场梯度），伸杆中部的两枚磁通门磁强计（MAGi，MAGo，测量矢量磁场绝对强度）和伸杆顶端的探测线圈磁强计（SCM，测量磁场的波动）以及电子学单元（图中没有体现，负责综合控制）**

第二，IS☉IS组件，用于研究太阳风能量电子、质子和重离子，包括EPI-Hi和EPI-Lo，分别测量高能量段和低能量段的电子、质子和重离子。

**图注：**IS☉IS组件的设计图

第三，WISPR组件，一套宽视场相机，共两个，一个向内拍（太阳方向），一个向外拍。相机并不直接拍太阳，而是拍摄略微偏离太阳，从13°到108°的视场，用于观察日冕物质的形态，来研究电子的密度和速度信息。

**图注：**WISPR组件

第四，SWEAP组件，一套粒子收集装置，用于收集并分析电子、质子、氦离子的速度、密度、温度。

这四套综合测量系统，共同搭建了PSP观测太阳的科学平台。当探测器接近太阳的时候，这些科学设备，不惧高温，记录下太阳的喜怒哀乐一颦一笑，将第一手的资料发送给人类。

**图注：**科学家和工程师们在调试伸杆，可以看到探测器整体并不大

四、轨道

前面说了，发射一颗太阳探测器，是非常昂贵的，昂贵一方面体现在抗高温的设计上，另一方面也体现在探测器轨道的设计上。

要将探测器从地球上发射升空，离开地月系，最终以一个很低的轨道环绕太阳，是非常消耗动能的，这从最简单的机械能守恒就能知道。

PSP探测器本身，仅有685kg，但是发射用的火箭，Delta IV Heavy，重达733吨，本来能将28.79吨的载荷送入低地球轨道。火箭将探测器送入一个环绕太阳的高椭圆轨道，随后，PSP借助与金星的引力弹弓，多次减速，最终将在2024年末，达到预定的，近日点690万千米。

**PSP的轨迹。**品红色的是PSP，深蓝色是地球，浅蓝色是金星，绿色是水星，中央的黄点是太阳。

从2018年10月3日，到2024年11月6日，PSP将总共经历7次金星的引力弹弓，每次都将稍许降低近日点的高度，并提升近日点的速度。2024年之后，其近日点的速度将会达到200km/s，大约为光速的0.07%，它也将成为人类迄今飞得最快的飞行器。

**图注：**PSP与太阳的距离、速度以及近日点、飞掠金星的时间点。

PSP在远离太阳的时候，会打开主太阳能板，并恢复与地球的通信，传输科学数据。而在接近太阳的时候，会收起太阳能板和高增益天线，进入自动模式，中断通信，保护天线，全力测量数据并保存下来，留待日后发送。此外，当从地球看来，PSP和太阳的夹角过近时，PSP的信号会淹没在太阳发射的狂暴的电磁波之中，也不会传输数据。

五、发现了什么？

目前来说，PSP获得的数据量超出了预期，并且也获得了一些初步的成果。2019年12月4日，一口气发表了四篇Nature，包括：

Verscharen, Daniel(December 4, 2019). “A step closer to the Sun’s secrets”. Nature. 576(7786): 219–220.

Kasper, J. C.; Bale,S. D.; Belcher, J. W.; Berthomier, M.; Case, A. W.; Chandran, B. D. G.; Curtis,D. W.; Gallagher, D.; Gary, S. P.; Golub, L.; Halekas, J. S. (December 4,2019). “Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sunsolar wind”. Nature. 576 (7786): 228–231.

McComas, D. J.;Christian, E. R.; Cohen, C. M. S.; Cummings, A. C.; Davis, A. J.; Desai, M. I.;Giacalone, J.; Hill, M. E.; Joyce, C. J.; Krimigis, S. M.; Labrador, A. W.(December 4, 2019). “Probing the energetic particle environment near theSun”. Nature. 576 (7786): 223–227.

Howard, R. A.;Vourlidas, A.; Bothmer, V.; Colaninno, R. C.; DeForest, C. E.; Gallagher, B.;Hall, J. R.; Hess, P.; Higginson, A. K.; Korendyke, C. M.; Kouloumvakos, A.(December 4, 2019). “Near-Sun observations of an F-corona decrease andK-corona fine structure”. Nature. 576 (7786): 232–236.

主要作者涵盖了四个载荷的首席研究员（PI，Principle Investigator），劳动和创造得到了公众的认可。

这些成果大致来说，主要是测量了太阳的磁场，记录了磁场不寻常的波动和短周期的变化，进而确认了，阿尔芬波（Alfvén waves），是驱动日冕加热最可能的主要机制。

此外，通过观察沿磁场方向运动的电子束，太阳磁场的方向反转（太阳磁场很狂暴，南北极相互穿插，不是偶极场），与局部等离子体径向速度的增加总是同时出现。

同时，观测到的等离子体速度的环向分量也比预期的要大很多，这应当是粒子被太阳磁场抛射出来之后，被太阳的自转加速形成的。

是不是感觉每个字都懂，连起来就不太好理解了？

没事，感兴趣的话，就去看看上面的四篇文章；实在很感兴趣的话，就报考我们研究所的空间物理学专业，来和我的师兄师姐师弟们（没错还缺个师妹）一起讨论呀！（记不清这是第几次被领导拖走了。）

我们的征途是星辰大海，可不是说说而已。美国人已经走在了前面，我们就要更加努力！

待得那：

瘟君且乘纸船去，春风杨柳暖樱红；

携手同心摘日月，巡天遥看一千河！

不管是月亮太阳星星，我们一起晒个痛快！