新发现：超高速粉尘对航天器的撞击会产生等离子体爆炸和碎片云

新的结果揭示了在超高速尘埃撞击之后，等离子体爆炸和碎片云如何干扰航天器的运行。帕克太阳探测器航天器是美国宇航局研究太阳的最新和最雄心勃勃的努力，它已经打破了很多记录：它比迄今为止的任何其他航天器更接近太阳，它的仪器在最热的温度下运行，而且该探测器是有史以来最快的人造物体。但是这些记录是有代价的。航天器的移动速度如此之快，以至于碰到哪怕是一粒微小的灰尘都会导致严重的损害。

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科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室（LASP）和约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的科学家们的新研究考察了帕克太阳探测器航天器和灰尘之间的碰撞。在LASP研究员、科罗拉多大学天体物理和行星科学系助理教授David Malaspina的领导下，该团队利用帕克太阳探测器的电磁和光学观测数据，制作了迄今为止最完整的关于超高速尘埃撞击可能损害航天器并干扰其运行的图片。

帕克太阳探测器以每秒180公里（约每小时40万英里）的速度穿越近日空间，穿过黄道云最密集的区域。黄道云是一个厚厚的、薄饼状的尘埃云，延伸到整个太阳系，由小行星和彗星脱落的微小尘粒组成。当帕克太阳探测器驶过这一区域时，数以千计的微小（直径约2至20微米，或不到人类头发宽度的四分之一）尘粒以超高速（速度超过每小时6700英里）撞击航天器。撞击后，构成尘粒和航天器表面的材料被加热，以至于它首先被蒸发，然后被电离。电离是一个过程，汽化的材料中的原子被分离成其组成的离子和电子，产生一种叫做等离子体的物质状态。迅速的汽化和电离产生了一个持续时间不到千分之一秒的等离子体爆炸。这些最大的撞击也会产生碎片云，慢慢地从航天器上扩散开来。

在新的研究中，Malaspina及其同事使用天线和磁场传感器来测量由尘埃撞击等离子体爆炸产生的对航天器周围电磁环境的干扰（如图）。这些发现可能会导致对太阳周围空间天气的新认识。例如，这些测量使研究小组能够研究这些等离子体爆炸如何与太阳风互动，或太阳不断产生的离子和电子流。

"通过这些测量，我们可以观察到这些尘埃撞击产生的等离子体被太阳风的流动所扫除。"马拉斯皮纳说。他补充说，学习这种"拾取"过程在小范围内是如何运作的，可能有助于科学家更好地理解更大的等离子体区域，如金星和火星上层大气中的等离子体，是如何被太阳风扫走的。

这些发现对帕克太阳探测器和之后的航天器的安全也有重大影响。

研究小组观察到在与尘埃碰撞过程中被撞散的金属片和油漆碎片是如何在航天器附近漂移和翻滚的，这些碎片在帕克太阳探测器上的导航和科学相机拍摄的图像中产生了条纹。

研究报告的共同作者、APL的Kaushik Iyer说："许多图像条纹看起来是径向的，起源于隔热罩附近，"他指的是保护帕克太阳探测器不受太阳附近强烈热量影响的大型隔热罩。该研究还报告说，一些碎片将阳光散射到帕克太阳探测器的导航相机中，使航天器暂时无法确定它在空间的方向。这对于一个依靠精确指向其热防护罩而生存的航天器来说，可能是一个危险的前景。

帕克太阳探测器于2018年发射，已经完成了九个完整的太阳轨道。在其主要任务于2025年结束之前，它将再完成15个轨道的观测。

随着帕克太阳探测器继续其在太阳附近的探索之旅，它现在可以在其长长的清单上再增加一项纪录：遇到最多微粒的航天器。

这项研究的结果将于2021年11月11日在宾夕法尼亚州匹兹堡举行的APS等离子体物理学分部第63届年会上公布。

关键词： 科学探索 新发现：超高速粉尘对航天器的撞击会产生等离子