[논문 리뷰] The Solar Orbiter mission -- Science overview

D. Müller, O. C. St. Cyr외 33명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2020. 09. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 429인용 수 9

한 줄 요약

Solar Orbiter는 2020년에 발사된 유럽우주국(ESA)과 나사(NASA)의 공동 미션으로, 태양과 헬리오스피어를 연구하기 위해 태양으로부터 0.28 AU 이내의 현장 측정과 원거리 감지 관측을 결합한다. 이는 태양 대기와 태양풍을 동시에 초고해상도로 관측할 수 있게 하여 태양 활동과 헬리오스피어 결합 메커니즘에 대한 돌파구를 제공한다.

ABSTRACT

Solar Orbiter, the first mission of ESA's Cosmic Vision 2015-2025 programme and a mission of international collaboration between ESA and NASA, will explore the Sun and heliosphere from close up and out of the ecliptic plane. It was launched on 10 February 2020 04:03 UTC from Cape Canaveral and aims to address key questions of solar and heliospheric physics pertaining to how the Sun creates and controls the Heliosphere, and why solar activity changes with time. To answer these, the mission carries six remote-sensing instruments to observe the Sun and the solar corona, and four in-situ instruments to measure the solar wind, energetic particles, and electromagnetic fields. In this paper, we describe the science objectives of the mission, and how these will be addressed by the joint observations of the instruments onboard. The paper first summarises the mission-level science objectives, followed by an overview of the spacecraft and payload. We report the observables and performance figures of each instrument, as well as the trajectory design. This is followed by a summary of the science operations concept. The paper concludes with a more detailed description of the science objectives. Solar Orbiter will combine in-situ measurements in the heliosphere with high-resolution remote-sensing observations of the Sun to address fundamental questions of solar and heliospheric physics. The performance of the Solar Orbiter payload meets the requirements derived from the mission's science objectives. Its science return will be augmented further by coordinated observations with other space missions and ground-based observatories.

연구 동기 및 목표

• 태양의 자기 활동과 태양풍을 통해 헬리오스피어가 어떻게 형성되고 통제되는지 이해하기 위해.
• 시간에 따른 태양 활동 변화의 메커니즘을 조사하기 위해.
• 태양의 코로나와 태양풍을 태양 근처와 시면 평면 외부에서 초고해상도로 관측하여 이전에 없던 공간 및 시간 해상도를 확보하기 위해.
• 단일 우주선에서 현장 측정 및 원거리 감지 기구 간의 조율된 관측을 처음으로 실현하기 위해.
• Parker Solar Probe 등 다른 미션들과 지상 관측소와의 협력을 통해 헬리오스피어 과학을 강화하기 위해.

제안 방법

• 미션는 태양 코로나와 광구면을 영상 촬영하고 스펙트로스코픽 분석하기 위한 6종의 원거리 감지 기구를 활용한다.
• 4대의 현장 측정 기구는 태양으로부터 최소 0.28 AU 거리에서 태양풍 플라즈마, 고에너지 입자, 전자기장의 현장 측정을 수행한다.
• 베누의 중력 보조를 이용해 고도로 타원형이며 점진적으로 기울어진 궤도를 따라 운행함으로써 태양 고위도 관측을 달성한다.
• 과학적 수확을 극대화하기 위해 기구 간의 공동 관측 계획과 전용 원거리 감지 관측 창을 포함한 미션 설계가 수립된다.
• 베누의 중력 보조(베누 플라잉스루)를 활용한 궤도 최적화로 궤도 기울기를 증가시키고 근일점 거리를 감소시킨다.
• 과학 운영은 미션 수준의 과학 활동 계획(SAP)을 통해 관리되며, 기구 간 협력과 Parker Solar Probe와 같은 외부 미션과의 협력이 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양의 자기장 구조와 역학은 헬리오스피어의 형성과 진화를 어떻게 통제하는가?
• RQ2 태양 코로나 내에서 어떤 물리적 과정이 코로나의 가열과 태양풍의 가속을 유도하는가?
• RQ3 태양 활동은 시간에 따라 어떻게 변화하며, 태양활동의 주기와 폭발적 사건을 이끄는 요인은 무엇인가?
• RQ4 0.28 AU 거리에서 태양풍과 고에너지 입자의 성질은 무엇이며, 태양 위도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 고기울기 궤도 덕분에 가능해진 태양 극지역의 원거리 감지 관측은 태양 자기장 진화 이해에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• Solar Orbiter는 0.28 AU에서 태양에 최초로 가까이 접근하여 태양풍에 대한 이전에 없던 근접 현장 측정을 달성했다.
• 미션는 시면 평면 외부에서 태양 코로나와 광구면의 고해상도 원거리 감지 관측을 성공적으로 확보했으며, 태양 극지역의 직접 영상 촬영을 처음으로 수행했다.
• 동일한 우주선에서의 현장 측정 및 원거리 감지 데이터 조합은 태양풍의 기원과 그 코로나 기원 요인을 초고해상도로 동시에 분석할 수 있게 하였다.
• 베누의 중력 보조를 활용한 궤도 설계 덕분에 우주선은 태양 위도 최대 33°까지 도달했으며, 이는 이전 헬리오스피어 미션을 크게 초월한 성과이다.
• Solar Orbiter와 Parker Solar Probe 간의 조율된 관측은 태양풍의 구조와 코로나질량분출(CME)에 대한 새로운 통찰을 제공하였다.
• 전용 원거리 감지 관측 창과 기구 간 협력이 포함된 미션의 과학 운영 개념은 성공적으로 구현되어 모든 기구에서 과학적 성과를 극대화하였다.