2018年8月12日,帕克太陽探測器在美國NASA肯尼迪航天中心成功發射,成為人類歷史上第一個進入太陽大氣層、近距離觀測太陽的人造物體。當年的11月5日,帕克探測器首次抵達近日點,隨后將在2025年前環繞太陽運行24圈,在金星引力的幫助下逐漸下調公轉軌道,最后抵達距離太陽表面僅有610萬公里的區域。
帕克太陽探測器總重量約640公斤,為了應對飛行過程中所受到高強度太陽輻射,在探測器表面覆蓋有一層11厘米厚、由碳復合材料制成的防熱罩,除了太陽能板以及少數溫度傳感器置于防熱罩之外,其余的科學荷載均可以在防熱罩的保護下,在外部接近1400攝氏度的環境下,內部仍然保持在略高于室溫的「舒適」狀態。
帕克探測器上攜帶著多種科學觀測儀器,比如電磁場調查和宇宙塵埃探測器、太陽風寬視場成像儀、太陽風電子、阿爾法粒子與質子調查器等。通過這些儀器設備,可以近距離測量太陽附近的電場和磁場,并能深入了解更多來自太陽的高能粒子(太陽風)特征,這對于準確認知太陽大氣層結構和組成、太陽風的起源與演化等,都具有非常重要的意義。
科學家們在研發帕克太陽探測器時,已經考慮了其運行環境下的高溫和高能輻射狀況,在探測器的外部覆蓋了厚厚的「保護層」,不過近期對探測器運行過程中的監測,還是讓科學家們「驚出一身冷汗」。
帕克太陽探測器,目前是速度最快的人造物體,其時速已經超過16萬公里,這比迄今為止行進距離最遠的探測器-旅行者1號的速度,要足足高出10萬公里/小時。在帕克太陽探測器以如此高的速度環繞太陽運行并逐漸接近太陽時,目前正在穿過黃道塵埃云,這片「濃厚」的塵埃云,是整個太陽系小行星和彗星接近太陽時所殘留的物質,在太陽引力作用下,這片塵埃云正在慢慢地向太陽靠近。
密切跟蹤帕克探測器的研究團隊,發現探測器與塵埃粒子正在發生不可避免的高速撞擊,這種撞擊的強度和頻度,都要比預想的要高,而且伴隨著高溫和高速撞擊,探測器表面產生了微小的超熱等離子體羽流,說明探測器的表面的一部分已經被「蒸發」了。
當然,帕克太陽探測器不是用來研究塵埃的,不過為了接近太陽并研究太陽風,穿過這片塵埃云并對其進行監測,屬于探測器「額外」的貢獻。目前探測器所處的位置,正好是黃道塵埃云中密度最大的區域,通過密切監測與塵埃云的碰撞頻率,可以粗略估算這片塵埃云的密度,有點像開車進入沙塵暴一樣。
研究團隊一開始也預測出探測器會遇到塵埃云,但是由于沒有在地球上的相關測量結果,因此最終的碰撞頻率要比預想地高出很多。現在探測器正處在環繞太陽公轉的第9圈,大約每12秒左右就會與塵埃碰撞一次。假設此時探測器附近有架攝像機,那麼將會看到防熱罩上面會密密麻麻地出現一些小孔,這正是被塵埃擊中的結果。幸運的是,防熱罩足夠厚,像盾牌一樣抵擋住了塵埃云的襲擊。
現在,最令科學家們擔心的是探測器的冷卻系統。探測器此時面向太陽的一面,表面溫度可以達到2000攝氏度以上。而防熱罩的下面分布著許多冷卻水管,通過里面水體的流動,將熱量傳遞到散熱器,然后將其消散到太空中。而假如塵埃將防塵罩和水管刺穿,那麼航天器必將會被燒毀。
為了制造高耐受性的探測器,其構成器件的材料選擇至關重要。在發射之前,帕克探測器在地球上已經進行了大量測試和分析,比如在一個超高速撞擊實驗室內,向探測器的相關組件上發射大量微小的高速粒子,來重現太空中的塵埃撞擊。雖然太陽附近的這種塵埃顆粒,要比想象中的豐富,但是由于其質量比預期的要小,因此帕克探測器所受到塵埃撞擊的損壞程度,風險仍然很低。
然而,風險低并不意味著萬無一失。盡管它們很輕,但當塵埃粒子以如此大的能量撞擊探測器時,不僅會蒸發自身和探測器表面的一小部分,而且還會將其電離,相當于產生了一次微小且短暫的等離子體爆炸。等離子體具有很強的電荷,因此這些微小的噴射,會在探測器的周圍產生電場的峰值,從而可以被測量出來。
這種電場的峰值,與太陽風相互作用,產生類似于太陽風與金星、火星和其他缺乏磁場的行星相互作用的方式,這個過程,我們自然會聯想到「飛蛾撲火」,在接下來帕克探測器環繞太陽運行的軌道上,還將會經歷更為嚴重的電離體驗。最終,帕克探測器在完成既定目標后,將會在高溫、高速塵埃撞擊下,不可避免地燃燒起來,成為太陽風的一部分,從而完成最華麗的「蛻變」。