[논문 리뷰] Solar Orbiter: Exploring the Sun-heliosphere connection

Daniel Mueller, R. G. Marsden외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 19.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 120인용 수 22

한 줄 요약

Solar Orbiter는 태양-헬리오스피어 연결을 연구하기 위해 0.28 AU 이내의 태양 근처에서 현장 측정을 수행하고 기울어진 궤도에서 고해상도 원거리 관측을 결합한 ESA-NASA 공동 미션입니다. 이 유일무적인 조합은 태양이 헬리오스피어를 어떻게 조절하는지 규명하는 데 있어 예상치 못한 현장 측정 및 영상 분석의 융합을 가능하게 하여 헬리오포르지크스 분야의 돌파구를 이룹니다.

ABSTRACT

The heliosphere represents a uniquely accessible domain of space, where fundamental physical processes common to solar, astrophysical and laboratory plasmas can be studied under conditions impossible to reproduce on Earth and unfeasible to observe from astronomical distances. Solar Orbiter, the first mission of ESA's Cosmic Vision 2015-2025 programme, will address the central question of heliophysics: How does the Sun create and control the heliosphere? In this paper, we present the scientific goals of the mission and provide an overview of the mission implementation.

연구 동기 및 목표

• 헬리오포르지크스의 핵심 질문에 답변하기: 태양은 어떻게 헬리오스피어를 창출하고 통제하는가?
• 태양 근처에서 플라즈마 및 자기장 특성을 측정하여 태양풍의 기원과 코로나 자기장의 기원을 규명하기.
• 태양의 일시적 현상과 폭발이 헬리오스피어를 메우는 고에너지 입자 방사선을 어떻게 생성하는지 이해하기.
• 다중 지점, 다중 기구 관측을 통해 태양 내부의 다이너모가 태양-헬리오스피어 연결을 어떻게 이끄는지 조사하기.
• 특히 고위도 헬리오그래픽 위도에서 고공간 해상도 및 고시간 해상도로 태양의 동시에 현장 측정 및 원거리 관측을 수행하기.

제안 방법

• 태양으로부터 0.28 AU 이내에서 안전하게 운영하기 위해 3축 안정화 위성과 열 차폐장치, 양면이 아닌 단일면 태양 전지판을 사용하기.
• 태양풍 플라즈마, 자기장, 파동 및 고에너지 입자를 현장에서 측정하기 위해 현장 측정 기구(EPD, MAG, RPW, SWA)를 활용하기.
• 태양 대기 및 코로나의 전체 태양 영역 및 고해상도 영상, 분광학, 편광 측정을 위해 원거리 관측 기구(EUI, METIS, PHI, SoloHI, SPICE, STIX)를 탑재하기.
• 지구와 금성의 보조 중력 궤도를 이용해 태양 중심 궤도를 확보하고 최대 헬리오그래픽 위도 25°(기본) 및 최대 36°(연장 미션)를 달성하기.
• 원거리 관측 기구의 과학적 수확을 극대화하기 위해 매 궤도의近日점과 헬리오그래픽 위도 최대치 주변에 3회에 걸쳐 10일간의 고속도 관측 창구를 운영하기.
• 현장 측정 및 원거리 관측 기구 간의 협동 관측을 통해 태양풍 구조와 그 태양 기원지 사이의 연관성을 설정하기. 이는 행성 근접 미션과 유사한 미션 설계를 통해 실현된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양풍은 무엇에 의해 주도되며, 코로나 자기장은 어디서 기원하는가?
• RQ2 태양의 일시적 현상은 헬리오스피어의 변동성을 어떻게 주도하는가?
• RQ3 태양 폭발은 어떻게 고에너지 입자 방사선을 생성하여 헬리오스피어를 메우는가?
• RQ4 태양 다이너모는 어떻게 작동하며 태양과 헬리오스피어 간의 연결을 이끄는가?

주요 결과

• Solar Orbiter는 태양으로부터 최소 0.28 AU 거리에서 태양풍 플라즈마, 필드, 파동 및 고에너지 입자를 현장 측정할 수 있으며, 이곳에서는 태양풍이 비교적 그대로 유지된 상태로 남아 있다.
• 기울어진 궤도에서 고해상도 영상 및 분광학적 관측을 동시에 수행함으로써 태양풍 구조와 그 기원 영역 간의 직접적인 연관성을 확립할 수 있다.
• 한 대의 위성에 현장 측정 및 원거리 관측 기구를 결합함으로써 이전 미션으로서는 이룰 수 없었던 과학적 성취가 가능해졌으며, 특히 태양풍 기원과 코로나 자기장 구조를 규명하는 데에 뛰어난 기여를 한다.
• 금성의 중력 보조를 활용한 궤도 설계 덕분에 헬리오그래픽 위도 최대 36°까지 도달할 수 있어 태양의 극 지역에 대한 첫 번째 고해상도 다중 지점 관측이 가능해졌다.
• 0.16 AU까지 도달하는 NASA의 Solar Probe Plus와의 협동 관측을 통해 더 가까운 거리에서의 보완적 현장 측정이 가능해져 내부 헬리오스피어 전역에서의 과학적 성과가 향상된다.
• 미션의 과학 운영은 매 궤도당 3회의 10일간 고속도 관측 창구로 구성되어 있으며, 최근점 및 고위도 통과 시 최대한의 데이터 수집을 위해 최적화되어 있으며, 궤도 전반에 걸쳐 지속적인 현장 측정 운영이 이루어진다.