[논문 리뷰] The Solar Orbiter Mission: an Energetic Particle Perspective

R. Gómez‐Herrero, J. Rodríguez‐Pacheco외 28명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 15.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 태양 궤도선 미션의 고에너지 입자 관점과 태양 고에너지 입자(HEP) 가속화 및 전파를 이해하는 데 핵심적인 역할을 하는 고에너지 입자 탐측기(EPD) 유닛의 기여를 강조한다. EPD는 2 keV에서 450 MeV/nuc의 넓은 에너지 및 각도 범위에서 전자, 수소 이온, 이종 이온을 측정한다. 이 미션은 태양 극지역을 직접 관측할 수 있는 고기울기 궤도를 통해 태양 고에너지 입자(SEP)의 현장 및 원격 감지 관측을 가능하게 하며, 태양 탐사선 플러스(Solar Probe Plus)와의 다중우주선 협업을 통해 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Solar Orbiter is a joint ESA-NASA mission planed for launch in October 2018. The science payload includes remote-sensing and in-situ instrumentation designed with the primary goal of understanding how the Sun creates and controls the heliosphere. The spacecraft will follow an elliptical orbit around the Sun, with perihelion as close as 0.28 AU. During the late orbit phase the orbital plane will reach inclinations above 30 degrees, allowing direct observations of the solar polar regions. The Energetic Particle Detector (EPD) is an instrument suite consisting of several sensors measuring electrons, protons and ions over a broad energy interval (2 keV to 15 MeV for electrons, 3 keV to 100 MeV for protons and few tens of keV/nuc to 450 MeV/nuc for ions), providing composition, spectra, timing and anisotropy information. We present an overview of Solar Orbiter from the energetic particle perspective, summarizing the capabilities of EPD and the opportunities that these new observations will provide for understanding how energetic particles are accelerated during solar eruptions and how they propagate through the Heliosphere.

연구 동기 및 목표

• 태양 고에너지 입자(SEP)의 태양계 내 태양 활동 과정에서의 주입, 가속화, 이동 메커니즘을 이해하기 위해.
• 태양의 일시적 사건들이 고에너지 입자 방출을 통해 행성간 환경에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 태양 자기장과 다이너모가 행성간 환경을 어떻게 형성하는지 탐구하기 위해.
• 현장 측정과 원격 감지 데이터를 융합하여 소스 영역을 보다 정확히 특정하기 위한 다점 관측을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 거리 및 자기장 기하학적 조건에서 동시에 측정이 가능한 태양 탐사선 플러스(Solar Probe Plus) 미션과의 협업을 활용하기 위해.

제안 방법

• 핵심 태양 활동 과정이 일어나는 내부 행성간 공간에 도달하기 위해 근일점이 0.28 AU인 태양 궤도선의 타원형 궤도를 활용한다.
• 전자(2 keV에서 15 MeV), 수소 이온(3 keV에서 100 MeV), 이종 이온(30 keV/nuc에서 450 MeV/nuc)의 광범위한 에너지 범위를 측정하기 위해 다중 센서를 갖춘 고에너지 입자 탐측기(EPD) 유닛을 사용한다.
• 태양 궤도선의 탑재된 장비를 통한 고해상도 원격 감지 관측과 현장 측정 데이터를 융합하여 입자 사건과 그 태양 소스를 연결한다.
• 반경 거리에 따라 적응형 주기로 낮은 지연 시간 데이터 전송을 우선시하는 3600 bit/s의 텔레메트리 예산을 구현한다.
• 특히 반경 방향 및 자기장에 따라 정렬된 구성에서 태양 탐사선 플러스와의 공동 관측을 수행한다.
• 공개 데이터 형식(CDF) 표준을 사용하여 처리된 데이터를 유럽 우주국(ESA) 과학 데이터 아카이브에 제공하여 공동 연구자들이 접근할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 폭발 기간 동안 태양 고에너지 입자(SEP)의 주입 및 가속화를 이끄는 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 고에너지 입자는 행성간 공간을 어떻게 전파되며, 간행물 자기장 기하학적 특성이 이들의 이동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 특히 고기울기 궤도에서 반경 방향 및 태양 위도에 따라 고에너지 입자의 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 코로나 자기장 기하학적 구조와 태양풍 조건이 SEP의 공간 분포에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 태양 궤도선과 태양 탐사선 플러스의 다중우주선 관측을 통해 반경 방향 기울기와 자기장선 따라 이동하는 입자 전파를 더 잘 이해할 수 있는가?

주요 결과

• 고에너지 입자 탐측기(EPD)는 2 keV에서 450 MeV/nuc의 고주기 다종류 측정을 통해 SEP 소스 집단과 가속 과정을 종합적으로 연구할 수 있다.
• 태양 궤도선의 근일점이 0.28 AU이며 궤도 기울기가 약 33도에 이르는 것은 태양 극지역을 직접 관측하고 활성 태양 지역을 준동기적으로 모니터링할 수 있도록 한다.
• 미션의 텔레메트리 시스템은 운영을 위한 최소 과학 데이터를 매일 전송하며, 제한된 대역폭으로 인해 근일점 근처에서는 고주기 과학 데이터를 우선순위로 한다.
• 태양 탐사선 플러스와의 협업 관측을 통해 태양 소스 영역(SPP: <10 태양 반지름 이내)과 더 먼 거리(태양 궤도선: 0.28 AU)에서 동시에 현장 측정이 가능해져 반경 방향 기울기 연구가 가능해진다.
• 반경 방향 정렬 및 자기장선에 따라 정렬된 다점 구성은 입자가 간행물 자기장선을 따라 이동하는 방식과 횡방향 확산의 역할을 연구하는 데 기여한다.
• EPD에서 처리된 데이터는 공통 데이터 형식(CDF) 표준으로 제공되며, 유럽 우주국(ESA) 과학 데이터 아카이브에 저장되어 과학 공동체의 장기적 접근성을 확보한다.