کاوشگر خورشیدی پارکر Parker Solar Probe

کاوشگر خورشیدی پارکر (Parker Solar Probe) یک مأموریت انقلابی ناساست که به عنوان نخستین فضاپیمایی که توانسته وارد اتمسفر خورشید شود، شناخته می‌شود. کاوشگر در سال ۲۰۱۸ پرتاب شد و نام آن برای اولین‌بار در تاریخ ناسا از نام دانشمند زنده، یوجین پارکر، گرفته شد؛ کسی که نظریه‌ی باد خورشیدی را بنیان گذاشت و نگاه بشر به خورشید را متحول کرد. مأموریت پارکر برخلاف تمام فضاپیماهای خورشیدی پیشین قرار نیست تنها از فاصله‌ی امن به مشاهده‌ی خورشید بپردازد؛ بلکه طراحی شده تا از میان لایه‌های فوق‌العاده داغ و خشن تاج خورشیدی عبور کند و داده‌هایی به‌دست آورد که تا پیش از آن هرگز دسترسی به آن‌ها ممکن نبود.

این کاوشگر کوچک، سریع و مجهز به فناوری‌های بی‌سابقه است تا نه‌تنها در برابر شرایط دمایی فراتر از ۱۳۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد مقاومت کند، بلکه بتواند نزدیک‌ترین فاصله‌ی ممکن به سطح خورشید را تجربه کند. مأموریت پارکر درک ما از ساختار داخلی خورشید، رفتار میدان‌های مغناطیسی آن، منشاء بادهای خورشیدی و سازوکار فوران‌های قدرتمند خورشیدی را دگرگون کرده است. ورود آن به هاله‌ی خورشید یک نقطه‌ی عطف در تاریخ علوم فضایی محسوب می‌شود.

هدف‌های اصلی مأموریت کاوشگر خورشیدی پارکر

مأموریت پارکر اهداف متعددی دارد، اما مهم‌ترین آن‌ها در چهار محور اصلی خلاصه می‌شوند:

• بررسی دقیق منشاء و سازوکار شتاب‌دهی باد خورشیدی
• مطالعه‌ی عوامل ایجادکننده‌ی دمای بسیار بالای تاج خورشیدی در مقایسه با سطح خورشید
• مشاهده‌ی ساختار و تغییرات میدان مغناطیسی خورشید در کوچک‌ترین مقیاس‌ها
• تحلیل رویدادهای انفجاری خورشیدی شامل شراره‌ها و فوران‌های تاجی (CME) جهت پیش‌بینی بهتر شرایط فضا-هواشناسی

اهمیت مطالعه‌ی خورشید

خورشید فراتر از یک ستاره‌ی معمولی در منظومه‌ی شمسی برای ما اهمیت دارد؛ منبع انرژی، حیات و اکثر فرآیندهای اقلیمی زمین است. با این حال، هنوز درباره‌ی بسیاری از رفتارهای خورشید اطلاعات دقیقی در دسترس نیست. تاج خورشیدی دمایی میلیون‌ها درجه‌ای دارد، اما سطح خورشید تنها حدود ۶۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است. این تناقض بزرگ یکی از عجیب‌ترین نکات در فیزیک خورشیدی است و پاسخ آن می‌تواند به درک بهتر انتقال انرژی در ستاره‌ها منجر شود.

از سوی دیگر، باد خورشیدی مستقیماً روی میدان مغناطیسی زمین اثر می‌گذارد و می‌تواند پدیده‌هایی مانند شفق قطبی، اختلالات شدید در سیستم‌های مخابراتی، آسیب به ماهواره‌ها و حتی فروپاشی شبکه‌های الکتریکی را ایجاد کند. طوفان خورشیدی سال ۱۸۵۹ که به «رویداد کارینگتون» مشهور است، نشان داد که انفجارهای خورشیدی می‌توانند تمام زیرساخت‌های الکتریکی را مختل کنند. امروز با وابستگی شدید بشر به تکنولوژی، شناخت بهتر رفتار خورشید به یک ضرورت تبدیل شده و پارکر دقیقاً برای همین مأموریت حیاتی طراحی شده است.

فناوری‌های پیشرفته در کاوشگر پارکر

کاوشگر پارکر کوچک است، اما فناوری‌های مورد استفاده در آن ویژگی‌هایی دارند که مشابهشان در هیچ مأموریت فضایی دیگری دیده نمی‌شود. یکی از مهم‌ترین بخش‌ها «سپر حرارتی کامپوزیتی» است که ضخامت آن حدود ۱۲ سانتی‌متر بوده و از ساختاری چندلایه با پوشش سفید انعکاسی تشکیل شده است. این سپر قادر است دماهای بیش از ۱۳۰۰ درجه را دفع و بخش‌های داخلی فضاپیما را در دمای حدودی اتاق نگه دارد.

همچنین سامانه‌ی پیشرانش پارکر به‌گونه‌ای طراحی شده که در نزدیکی خورشید بتواند خود را با دقت بسیار بالا تنظیم و همواره سپر را بین ابزارها و خورشید نگه دارد. حتی کوچک‌ترین انحراف زاویه‌ا در حد یک یا دو درجه می‌تواند باعث نابودی کامل فضاپیما شود. ارتباطات رادیویی پارکر نیز بر پایه‌ی آنتن‌های مقاوم در برابر حرارت طراحی شده‌اند که در هنگام عبور از نزدیک‌ترین فاصله‌ها همچنان قادر به کارکرد پایدار باشند.

مدار حرکت کاوشگر چگونه است؟

کاوشگر خورشیدی پارکر برای رسیدن به خورشید از یک مسیر مستقیم استفاده نمی‌کند. استفاده از مسیر مستقیم به‌معنای نیاز به انرژی بسیار زیاد است، چون باید شتاب مداری زمین حول خورشید را خنثی کرد. به همین دلیل ناسا از جاذبه‌ی سیاره‌ی زهره (ونوس) کمک گرفته است. پارکر در طی مأموریت خود هفت بار از کنار زهره عبور می‌کند و هر بار سرعت مداری خود را کاهش می‌دهد تا بتواند به خورشید نزدیک‌تر شود.

این روش که «کمک گرانشی» نام دارد باعث شده کاوشگر خورشیدی پارکر به تدریج مدار خود را کوچک و کوچک‌تر کند و در نهایت به فاصله‌ای کمتر از ۶ میلیون کیلومتر از سطح خورشید برسد؛ فاصله‌ای که هیچ فضاپیمای دیگری حتی به آن نزدیک هم نشده است. در نزدیک‌ترین گذر، سرعت کاوشگر پارکر به حدود ۷۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت می‌رسد، یعنی سریع‌ترین جسم ساخت بشر در تاریخ.

چالش‌های فنی مأموریت

کاوشگر پارکر با بحرانی‌ترین شرایط محیطی ممکن در کل منظومه‌ی شمسی روبه‌رو است. این تنها دما نیست که خطر ایجاد می‌کند؛ ذرات پرانرژی، میدان‌های مغناطیسی شدید و امواج شوک خورشیدی می‌توانند بر ساختار فضاپیما اثر بگذارند. ابزارهای پارکر باید نه‌تنها مقاوم بلکه فوق‌العاده دقیق باشند.

یکی از چالش‌های بزرگ این بود که ابزارهای علمی باید در پشت سپر حرارتی مخفی شوند تا از گرما در امان باشند، اما در عین حال لازم بود که بتوانند به طور مستقیم ذرات و میدان‌های مغناطیسی تاج خورشیدی را اندازه‌گیری کنند. راه‌حل ناسا طراحی حسگرهای ویژه با کابل‌های فوق‌مقاوم بود که از میان لبه‌ی سپر عبور می‌کنند. پارکر همچنین باید به صورت خودکار عمل کند، چون هنگام نزدیک شدن به خورشید امکان ارتباط لحظه‌به‌لحظه با زمین وجود ندارد.

نحوه حفاظت کاوشگر پارکر از گرمای شدید خورشید

مهم‌ترین بخش دفاعی پارکر «سپر حرارتی کربن-کامپوزیت» است که با نام Thermal Protection System شناخته می‌شود. این سپر از لایه‌های فوم کربنی میان دو صفحه‌ی فشرده از کربن ساخته شده است. سطح بیرونی آن بازتابنده است تا بخش زیادی از انرژی دریافتی را منعکس کند.

پشت این سپر یک سیستم خنک‌کننده وجود دارد که از مایعی بر پایه‌ی آب و گلیکول استفاده می‌کند. این مایع در لوله‌های تیتانیومی حرکت کرده و گرمای اضافی را به رادیاتورهایی منتقل می‌کند که پشت فضاپیما تعبیه شده‌اند. نکته‌ی شگفت‌انگیز این است که در حالی که جلوی سپر دماهایی بالاتر از ۱۳۰۰ درجه دارد، ابزارهای پشت آن تنها حدود ۳۰ درجه را تجربه می‌کنند.

ابزارهای علمی نصب‌شده روی کاوشگر خورشیدی پارکر

پارکر چهار مجموعه ابزار علمی اصلی دارد که هرکدام وظیفه‌ی حیاتی در جمع‌آوری داده‌ها بر عهده دارند:

• وسایل اندازه‌گیری میدانی FIELDS برای بررسی میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و امواج پلاسما
• مجموعه SWEAP برای اندازه‌گیری سرعت، چگالی و دمای ذرات باد خورشیدی
• دستگاه تصویربرداری WISPR برای فیلم‌برداری و مشاهده‌ی مستقیم ساختارهای تاج خورشیدی
• ابزار IS☉IS برای بررسی ذرات پرانرژی خورشیدی در انواع طیف‌ها

هر یک از این ابزارها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر گرما، تشعشع و نوسانات پلاسما مقاومت داشته باشند و هم‌زمان دقیق‌ترین داده‌ها را از ناحیه‌های بسیار نزدیک به خورشید ثبت کنند.

اطلاعات جمع‌آوری‌شده تا کنون توسط کاوشگر پارکر

پارکر تاکنون چندین کشف خارق‌العاده به ثبت رسانده است. یکی از مهم‌ترین آن‌ها مشاهده‌ی مستقیم «سوئیچ‌بک‌های مغناطیسی» بوده که در آن خطوط میدان مغناطیسی خورشید به شکل ناگهانی جهت خود را تغییر می‌دهند. پیش از این تصور می‌شد این پدیده‌ها دورتر از خورشید اتفاق می‌افتند، اما پارکر نشان داد که منشاء آن‌ها بسیار نزدیک‌تر است.

همچنین کاوشگر خورشیدی پارکر توانسته برای اولین‌بار از درون غبار بین‌سیاره‌ای گذر کند و ساختارهای جدیدی از باد خورشیدی را به ثبت برساند. یکی از نتایج مهم پارکر توضیح بهتر چگونگی شتاب‌گیری ذرات در تاج خورشیدی است؛ داده‌هایی که می‌توانند مدل‌های پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی را بسیار دقیق‌تر کنند.

نحوه ارسال داده‌ها از کاوشگر خورشیدی پارکر به زمین

پارکر به‌طور دائم نمی‌تواند داده‌ها را ارسال کند، زیرا هنگام نزدیک شدن به خورشید باید هم‌زمان انرژی زیادی برای حفظ موقعیت و مقاومت در برابر تشعشعات مصرف کند. به همین دلیل، بخش بزرگی از داده‌ها در حافظه‌ی داخلی ذخیره می‌شود و تنها در زمانی که از خورشید فاصله می‌گیرد و شرایط ارتباطی پایدارتر است، ارسال می‌شوند.

آنتن‌های کاوشگر خورشیدی پارکر با استفاده از باندهای فرکانسی X و Ka داده‌ها را به شبکه‌ی DSN (شبکه‌ی فضای دوردست ناسا) منتقل می‌کنند. این شبکه شامل آنتن‌های عظیم ۷۰ متری در نقاط مختلف دنیا است که می‌توانند سیگنال‌های بسیار ضعیف را دریافت کنند. سرعت انتقال داده‌ها بسته به فاصله‌ی پارکر از زمین تغییر می‌کند و گاهی تنها چند ده کیلوبیت در ثانیه است. با این حال، حجم داده‌های جمع‌آوری‌شده به اندازه‌ای باارزش است که حتی کوچک‌ترین بسته‌های اطلاعاتی نیز می‌توانند کشفیات بزرگی به‌همراه داشته باشند.