[论文解读] The Solar Orbiter Mission: an Energetic Particle Perspective

R. Gómez‐Herrero, J. Rodríguez‐Pacheco+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 8

一句话总结

本文介紹了太阳轨道器任务在高能粒子方面的观测视角，重点阐述了能量粒子探测仪（EPD）仪器包在宽能量和角度范围内对2 keV至450 MeV/nuc的电子、质子和离子进行测量的作用。该任务实现了对太阳高能粒子（SEP）加速与传播过程前所未有的原位与远程观测，特别是在高倾角轨道期间，可直接监测太阳极区，并与帕克太阳探测器（Solar Probe Plus）形成多航天器协同观测。

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.

研究动机与目标

• 理解太阳高能粒子（SEP）注入、加速与日球层中输运的物理机制。
• 研究太阳瞬变事件如何通过高能粒子辐射驱动日球层的变异性。
• 探索太阳磁场与发电机过程在塑造日球层环境中的作用。
• 实现原位与远程观测数据的多点联合观测，以改进源区识别。
• 利用与帕克太阳探测器任务的协同观测，实现不同径向距离与磁场几何构型下的同步测量。

提出的方法

• 利用太阳轨道器的椭圆轨道，近日点位于0.28 AU，以进入关键太阳活动过程发生的内日球层区域。
• 采用能量粒子探测仪（EPD）仪器包，通过多个传感器测量电子、质子和离子，覆盖广泛的能量范围（电子：2 keV至15 MeV；质子：3 keV至100 MeV；离子：30 keV/nuc至450 MeV/nuc）。
• 将原位测量与太阳轨道器有效载荷提供的高分辨率远程观测相结合，将粒子事件与太阳源联系起来。
• 实施3600 bit/s的遥测数据带宽预算，优先保障低延迟数据下传，并根据径向距离自适应调整观测频率。
• 在径向与磁场对齐构型下，与其它任务（特别是帕克太阳探测器）开展协同观测。
• 采用通用数据格式（CDF）标准，将处理后的数据交付至欧洲航天局科学数据档案库，供科学界访问。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳爆发期间，主导太阳高能粒子注入与加速的机制是什么？
• RQ2 高能粒子如何在日球层中传播，行星际磁场结构在其中的输运作用如何？
• RQ3 在高倾角轨道期间，高能粒子的特性如何随径向距离与太阳纬度变化？
• RQ4 日冕磁场拓扑结构与太阳风条件对SEP空间分布的贡献是什么？
• RQ5 来自太阳轨道器与帕克太阳探测器的多航天器观测如何提升我们对径向梯度与磁场对齐粒子传播的理解？

主要发现

• 能量粒子探测仪（EPD）将提供从2 keV至450 MeV/nuc的高时间分辨率、多粒子种类测量，支持对SEP源种群与加速过程的全面研究。
• 太阳轨道器近日点位于0.28 AU，轨道倾角最高可达约33度，可实现对太阳极区的直接观测，并对活动太阳区域进行准共旋监测。
• 任务的遥测系统确保每日下传最低限度的科学数据以支持任务运行，且在近日点附近因带宽限制，优先下传高时间分辨率科学数据。
• 与帕克太阳探测器任务的协同观测，可实现在太阳源区（SPP位于<10个太阳半径）与更大距离（太阳轨道器位于0.28 AU）的同步原位测量，支持径向梯度研究。
• 多点构型（包括径向对齐与磁场对齐观测）将支持沿行星际磁场线的粒子输运研究，以及横向扩散作用的分析。
• EPD处理后的数据将以通用数据格式（CDF）标准交付，并存档于欧洲航天局科学数据档案库，确保科学界长期可访问。