NASA的帕克探测器将会比以往更加靠近太阳，探索太阳的神秘大气层。
受到大量磁场线的推动，炽热的电浆（plasma）喷流从一处小太阳黑子升腾而起，该太阳黑子的面积差不多等于中国的国土面积
贝琦·康登（Betsy Congdon）毫不理会神话里的教训，将她的工程师生涯的头十年花费在一项非凡的追求上：建造出一台探测器，让它飞到靠近太阳的危险之地。
5月的一个细雨蒙蒙的日子里，在马里兰州的霍普金斯大学应用物理实验室（APL）里，康登蹲在一件被金属箔包裹的测试样本旁，那是她所在研究团队的成果――发泡碳防热板，它比一张特大双人床垫略宽，又比床垫薄得多。另一件样本就在旁边，这件随时能使用的备用品被密封保存于一只金属桶内，桶上印着一句警告语“请不要直接暴晒在阳光下”，这无意中构成了反讽。
真正的防热板已经一路向南运送到佛罗里达州的肯尼迪航天中心，在8月11日之后，它会固定在NASA帕克太阳探测器的工作端，一起发射升空。6周后，探测器会抵达金星。金星的引力会牵动探测器，使它向太阳系的中心飞去。再过6周，帕克探测器会首次穿过日冕，从现在算起到2024年为止的时间里，它将总共飞掠日冕20多次。而日冕是太阳的一层稀薄的大气层，由高温带电粒子或电浆构成。
在这些飞掠中，防热板必须保证探测器上脆弱的电子器件的安全，同时防热板的表面温度会激增到能熔化钢铁的1370摄氏度。热量并不是来自日冕中温度达到数百万度的电浆（电浆太过稀薄，传递不了多少能量），而是完全来自强烈的日光。然而，康登并不紧张。“我们已经对其进行了完整彻底的测试，”她说，声音在恍如洞穴的航天器组装室里回响，“我们已经让好多个样品接受彻底的测试。”
假如一切进展得顺利，探测器――安全地处在防热板的阴影里――会发送回日冕电浆以及塑造出日冕的紊乱磁场网络的记录。那些数据能解开若干基础性的谜团。比如说，是什么东西将电浆加热到太阳表面温度的200倍以上？太阳风（电浆粒子流）又是如何逃逸到太空的？自从太阳物理学家尤金·帕克（EugeneParker，这次的太阳探测器以他的姓氏命名）在1958年描述了太阳风起，太阳风一直是个谜团。更好地理解太阳风能帮助现今的研究者改善他们对太阳磁暴的预测。太阳磁暴是强烈爆发的太阳风，会撞击地球磁场，最强烈的时候能破坏卫星和电网。
耗资15亿美元的帕克太阳探测器并非是近期唯一一个瞄准太阳的大型科研项目。在夏威夷的茂宜岛上，天文学家对“丹尼尔·井上太阳望远镜”（DKIST）进行最后一道工序，这个耗资3.5亿美元的项目由美国国家科学基金会拨款资助。它的主镜口径达到4米，是现有最大太阳望远镜口径的两倍多。当DKIST在2020年6月开始运作后，它应该能将镜头拉近到太阳的表面，达到前所未有的清晰度。同样在2020年里，太阳轨道器（SolarOrbiter）预计也将发射升空，该项目耗费7.8亿欧元，核心资助来自于欧洲空间局。这台航天器将会从比帕克探测器稍远的地方，观测穿过日冕、引起涟漪的高能辐射。
“我真心认为，这些是变革性的任务。”霍华德·辛格（HowardSinger）说道，他是位于科罗拉多州博尔德的太空气象预测中心的首席科学家，该中心属于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）。辛格与同事对太阳活动发出预测，不仅仅是为卫星和电网运营商服务，也是为在南北两极附近飞行的宇航员和航线服务。
假如目前的进度表靠谱，DKIST和太阳轨道器将会赶在帕克探测器于2024年进行离太阳最近的一次飞掠之前观测日冕。那个时间安排应该能让太阳系物理学者对远处获得和就地获得的数据（而且是在同一时间收集到的数据）进行合并和匹配，从而能够测量日冕中的变化，同时在太阳起伏的表面观察寻找线索，了解搅动和加热日冕的过程。
2018年早些时候，3个项目派出的代表在APL初次会面，商讨如何一起攻克日冕的谜团。“对于太阳物理学，这绝对是个独一无二的时刻。我们能做一些联合科研，那将会十分精彩。”瓦朗坦·马蒂内·皮耶（ValentinMartínez Pillet）说道，他是位于博尔德的美国国家太阳天文台台长，该天文台是负责建造DKIST的机构。
帕克探测器的太阳之旅实现了像美国太空计划一样悠久的远大目标。1958年时，美国仍然因为苏联的斯普特尼克卫星成功发射而饱受冲击，美国国家科学院（NAS）的一个由早期的太空物理学家约翰·辛普森（JohnSimpson）和詹姆斯·范·艾伦（JamesVan Allen）担任主席的委员会进行头脑风暴，罗列了一些希望进行的太空任务，从科学角度上来说，这些任务能够让美国在太空探索中进入领先地位。其中一个想法就是让一台探测器进入水星轨道，尝试探测太阳电浆。
数十年以来，这个想法未曾从任务名单中脱颖而出。“我们已经尝试过五六次，”克里斯·圣西尔（Chris St.Cyr）说道，他在位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心工作，是NASA负责太阳轨道器的项目科学家，“在有现成的科研资金的时候，它从未获得科学共同体的政治意愿。”
到21世纪初，NASA和NAS都将太阳探测器作为首要项目优先推动。最终的成果帕克探测器会飞行到距离太阳不到0.04天文单位（AU）的地方，是水星绕日轨道的1/10，是目前最逼近太阳的探测器的记录保持者的1/7。记录保持者是20世纪70年代中期的太阳神号姊妹探测器，由西德和NASA联合建造。这两台探测器每秒自转一次，籍此均匀分摊太阳的热量。
对帕克探测器而言，0.04AU代表了折中方案。NASA此前在2005年构想的太阳探测器概念中，探测器会在一次或两次飞掠中与太阳的最近距离，至少是目前计划的最近距离的1/2。
帕克太阳探测器在佛罗里达州发射升空之前，等待装上防热板和太阳能板
然而，那样会花费昂贵。在2007年，NASA让APL的管理方削减开支。作为回应，他们改变了探测任务的设计方案，探测器会飞得与太阳更远些，同时增加飞掠次数作为补偿。他们还换下了昂贵的放射性同位素电机，代之以吸收太阳能的面板――日冕中的太阳能无比充沛。为了预防过热，帕克探测器在椭圆形轨道中靠近近日点时，会将太阳能板隐藏在防热板下面的阴影里。当探测器距离太阳稍远时，它会伸展打开太阳能板，捕捉阳光，同时有一套水泵系统用水浴为面板降温。
接下来就要说到至关重要的防热板。在建造帕克探测器的无尘室的楼上，就是康登的办公室，她在那儿存放了一块测试用的防热板材料：正方形、行李箱大小、黑色。这种材料的构造类似三明治，中间填充一层厚厚的发泡碳，两边是薄层的碳-碳复合材料。这种复合材料是一种用碳纤维编织出的材料，当它被加热到几千度时，性能变得更强，而不是更弱。NASA的航天飞机的机头和机翼上就装有碳-碳复合材料的厚垫。
康登拿起样品，将它展开。令人意外的是，样品很轻，全尺寸的防热板重量仅相当于一个人的体重。触碰一下的话，从样本边缘暴露出的粗糙的发泡碳像软质铅笔的铅芯一样，会让手沾上颜色。真正的防热板外侧有一层白色涂层，旨在反射尽可能多的热量，但是在这块没有涂层的样品上，有部分表面变得很黑，像是烤过了头。
工程师耗费了许多心血，确保防热板永远不会偏离帕克探测器和太阳之间的位置，包括当探测器消失在太阳后面，它与地球的无线电联络被切断的时候，或者是当太阳自身的无线电发射淹没探测器的无线电的时候。假如传感器发现防热板旋转离开原位，一套自动化系统会扶正探测器的方向。“我们需要在几分钟后将防热板恢复原位，抢在某个器件遭到严重损坏之前。”吉姆·金尼森（JimKinnison）说道，他在APL中担任帕克探测器任务的系统工程师。
讽刺的是，防热板在地球上碰到氧气很容易燃烧。一项高温测试发生了“令人惊恐”的大转折，当时实验舱的真空密封破了，氧气泄漏进去。康登说道：“那东西燃起了火焰。”但是，在日冕的稀薄电浆中，氧气稀少，仅有的氧原子已经被高温拽走外层电子。帕克探测器的科学团队希望弄明白这种现象背后的原因。
太阳的可见表面叫做光球层，处于大约5500摄氏度的高温中。小学的物理教材认为，因为日冕距离太阳核心的热源更远，它的温度应该下降。恰恰相反，日冕的温度激增到100万摄氏度以上。
对于这额外热量的来源，太阳系物理学者已经争论了数十载。他们至少在大体上取得一致。能量大概始于光球层或光球层以下的运动，天文学家在那儿见到了沸腾的颗粒。它们是对流电浆形成的泡泡，像火上的大锅一样烧得沸腾，挟带着巨大的动能。
帕克太阳探测器的防热板被降下放入一个模拟太空真空环境以及太阳热度的实验舱
带电荷的电浆和日常材料不同，会对磁力作出响应，沿着磁场线流动。移动的粒子本身产生电流，电流又产生额外的磁场。有时候，磁场向上延伸，穿过太阳表面，进入日冕。日冕能建立一条路径，将颗粒的动能转换成热能。
“在此之外，假如我们引入5位理论物理学家，我们也许能获得15项理论。”圣西尔说。然而，科学家提出的日冕加热路径分成两大类。
第一类是磁场线突出纠缠的突然变化将热能泵送到日冕。双脚扎根于光球层的许多磁场线外形酷似密苏里州的圣路易斯拱门。但随着太阳表面的搅动，磁场线的双脚移来移去，让上面的磁场线彼此纠缠在一起。应力逐步增加，当磁场线突然断成更加稳定的一段，大量的能量释放到周围的电浆中。
自从2010年起，一些太空任务已经以几乎逐秒的方式监测太阳的变化。它们已经观测到那些被称为“磁重联”的突变，显示出磁重联能激发耀斑。这类事件常常发生，足以解释日冕中部分――但并非全部――热量的来源。理论物理学家长期以来一直怀疑，尺寸小得多的“毫微耀斑”（nanoflares）也可能在接近太阳表面的地方爆发，因为太小太微弱而未被探测到。每秒钟出现100万次这样的毫微耀斑，每次的威力差不多相当于5000万吨级的氢弹，这样就能充分解释日冕所测量到的温度。
假如日冕的热量确实来自于大量未被发现的不连贯爆炸，那么日冕中刚刚受到加热的小片区域在能量扩散之前，应该会达到高达1000万摄氏度的高温。近些年里，卫星和次轨道火箭以X射线和紫外线在地球大气层之上观测，已经发现来自日冕电浆的1000万摄氏度的高温喷射，为这项理论增加了间接支持。“它在那儿，那是某种程度上毋庸置疑的结论。”戈达德太空飞行中心的天体物理学家吉姆·克利姆丘克（Jim Klimchuk）说道。
其他的理论物理学家为这些从太阳深处升起的热量想象出一条不同的路径。冒泡的电浆原胞的移动激发了向外的磁能波。从理论上来说，磁能波能够扰动日冕中的磁场线，仿佛那是混合健身房里的力量绳一样――尤其是一端附着在太阳上，另一端悬荡于太空的磁场线。那种扭动加热了附近的粒子，那些粒子“像在浪尖上的冲浪者”一样，窃取热能和动能，凯利·柯力克（Kelly Korreck）如此说道，他是太阳物理学家，在位于马萨诸塞州坎布里奇的史密森尼天体物理观测台工作。
即将到来的三个探测任务应该有助于弄清日冕的热量来源比例，有多少来自于磁重联，有多少来自于磁能波，或许还能弄清毫微耀斑之类的特定的次进程，虽然柯力克的语气有点儿谨慎：“没有哪台望远镜肯定会找到答案。”帕克探测器将会沿着一条路线移动，预计在路线周围磁能波加温占据主导地位。假如帕克探测器感测到磁能波，它就能检查磁能波提供了多少能量。通过测量接近太阳地方的刚刚加热后的电浆――比如说，一次毫微耀斑释放出的炽热的氦原子流――帕克探测器还应该能查出磁重联加热事件的蛛丝马迹。
至于DKIST和太阳轨道器，它们会研究帕克探测器移动路线下面的区域，补充信息。DKIST使用红外光观测，而太阳轨道器使用紫外线和X射线观测，这两台观测设施会勘查出稍纵即逝、彼此纠缠的磁场结构，可能是这些结构触发了毫微耀斑。
帕克探测器还会探索芝加哥大学荣休物理学家帕克（时年91岁）留给科学界后继者的谜团：是什么驱使带电粒子流以每秒数百公里的速度扩散进入太阳系？在日冕底部，太阳磁场对电浆有很强的控制。在底部以上的某个地方，粒子移动的速度就快得足以摆脱太阳的引力，逃逸进入太阳系。“那就是魔法发生的地方，太阳风在那儿被大幅加速，然后就离开了太阳。”妮古拉·福克斯（NicolaFox）说道，她是APL帕克探测器项目的科学家，“我们会在那片区域里探测。”
太阳风像日冕一样，看上去都违背了基本物理学常识：随着太阳风开始扩散进入太阳系，它应该冷却和放慢速度，但事实上它没有。有什么东西在一直向外驱动太阳风――或许是沿着螺旋路径的粒子发出的能量，或者是等离子体湍流阵风的耗散。帕克探测器记录下它飞行穿过电浆的小尺度物理活动，这样就会确定太阳风是在哪儿启动的，缩小有可能发动太阳风的机制的范围。“我们都知道，魔鬼在于细节中。”福克斯说。
2017年10月，一位精神抖擞的退休学者戴着发罩，穿着蓝色鞋套，披着实验室大褂，造访了APL的无尘室，他的左右两侧都是参与这次任务的科学家。帕克亲自过来查看这台以他的姓氏命名的探测器，它将致力于研究帕克早在60年前描述的太阳风。帕克提出太阳风的概念，部分是来自于他对远离太阳方向的彗星尾的观测。
这个概念曾经让争议四起――有两名评议者当即否决帕克的论文。如今，太阳风成为一门新兴应用科学的奠基石。也许事实会证明，理解日冕在平常日子里的行为是预测日冕极度活跃时行为的关键所在。不管是什么物理原理让太阳风加速，同样的原理也激发了危险的太阳磁暴。
有害的太空天气可分为好几类。平时的太阳风只会对在地球的保护性磁场以外的宇航员、对月球或火星这类深空地点造成健康风险。耀斑朝向地球投掷出更加强烈的粒子和辐射爆，能导致卫星故障，而当它们被地球两极附近的磁场汇集时，就产生了极光景色。最罕见也最强烈的事件被称为“日冕物质抛射”（CME），发射出密集的粒子团，能压制地球磁场，重创通讯技术。比如说，1967年，在多个早期预警雷达系统似乎遭到阻塞干扰后，美国空军开始做核战争准备。而它的罪魁祸首就是一次大规模日冕物质抛射，幸亏及时发现真相，阻止了一场灾祸。
“日冕物质抛射何时会发生？将会持续多久？将会有多么强烈？”辛格问道，“要弄明白如何去预测日冕物质抛射现象，还存在巨大缺口。”
日冕物质抛射发生时的预兆甚少。NASA和NOAA负责追踪太阳风的卫星逗留在地球与太阳之间的稳定引力点，引力点位于距离太阳1%的地方。按照太阳风的速度，在那儿收到的太空天气事件能在15分钟后抵达地球。于是，学会从帕克探测器、DKIST和太阳轨道器的数据中识别太阳破坏性事件的预警征兆，就会导向更好的预测，辛格说道。
DKIST会用显微镜观察喷出耀斑的相同磁场结构。太阳轨道器会测量太阳远端的磁场，并测试：在密集磁场经由自转进入我们视野之前，监测那些磁场是否能改善未来对日冕物质抛射的预测。通过测量日冕中小型耀斑喷发时的状况，帕克探测器应该会改进太空天气模型。团队成员希望探测器可以幸运穿过日冕物质抛射。
但是，要实现这些目标，仍然有许多工作要做。康登自己的探求差不多结束了。防热板紧紧地固定在帕克探测器上方，准备进入太空。康登早已订好了8月发射窗口开启时去佛罗里达的机票，她不是要去工作，而是要去作为一名游客，在为APL访客特别留出的特别观景区观赏探测器的发射升空。帕克也是如此，他将和家人一同前往，他们会受到贵宾般的款待。
“科学家脸上的喜悦之情――那就是我们在寻找的东西。”康登说。
资料来源Science
责任编辑 岳峰