[論文レビュー] The Solar Orbiter mission -- Science overview

D. Müller, O. C. St. Cyr+33 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 2, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 429被引用数 9

ひとこと要約

Solar Orbiterは、2020年に打ち上げられたESA-NASAの共同ミッションであり、太陽近く（0.28 AU未満）でのイン・サイト測定と黄道面外の高分解能リモートセンシング観測を組み合わせることで、太陽およびヘリオスフィアの研究を目的としている。このミッションは、太陽の大気と太陽風を同時に、かつ前例のない解像度で観測可能にし、太陽活動およびヘリオスフィア結合の理解に画期的な進展をもたらした。

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.

研究の動機と目的

• 太陽の磁気活動と太陽風が、どのようにヘリオスフィアを形成・制御しているかを理解すること。
• 時間経過に伴う太陽活動の変動を引き起こすメカニズムを調査すること。
• 太陽のコロナおよび太陽風を、太陽に近い位置と黄道面外の位置から、前例のない空間的・時間的分解能で観測すること。
• 初めて、1機の宇宙船上でイン・サイトおよびリモートセンシング機器の協調観測を実現すること。
• Parker Solar Probe や地上観測所などの他のミッションと連携し、ヘリオスフィア科学の発展を促進すること。

提案手法

• ミッションは、太陽コロナおよび光球を像取りおよび分光分析するための6つのリモートセンシング機器を装備している。
• 4つのイン・サイト機器が、0.28 AUにまで近づいた距離で、太陽風プラズマ、高エネルギー粒子、および電磁場を直接測定している。
• バナスの重力スリングショットを用いて、黄道面からの傾きを徐々に増加させる高離心率の軌道をとることで、太陽の高緯度地域の観測を実現している。
• 科学的成果を最大化するため、機器間の協調観測計画と、専用のリモートセンシング観測ウィンドウを含むミッション設計が採用されている。
• 軌道最適化には、バナスの重力スリングショット（バナススライド）を用い、軌道の傾きを増加させるとともに近日点距離を短くしている。
• ミッション運用は、ミッションレベルの科学活動計画（SAP）を通じて管理されており、機器間の調整およびParker Solar Probe などの外部ミッションとの連携が行われている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の磁場構造とダイナミクスは、どのようにヘリオスフィアの形成と進化を制御しているか？
• RQ2 太陽コロナ内で、どのような物理的プロセスがコロナ加熱と太陽風加速を引き起こしているか？
• RQ3 太陽活動は時間経過とともにどのように変化し、太陽活動極小期や爆発的イベントを引き起こす要因は何か？
• RQ4 0.28 AUという非常に近い距離での太陽風および高エネルギー粒子の性質は何か？また、太陽の緯度に応じてどのように変化するか？
• RQ5 高傾斜軌道により可能になった太陽の極域のリモートセンシング観測は、太陽磁場の進化を理解するためにどのように貢献するか？

主な発見

• Solar Orbiterは、0.28 AUという太陽に極めて近い距離での初回接近を達成し、前例のない近接での太陽風イン・サイト測定を実現した。
• ミッションは、黄道面外から太陽コロナおよび光球の高分解能リモートセンシング観測を成功裏に取得し、太陽の極域を直接撮像する初の観測を達成した。
• 同じ宇宙船から得られるイン・サイトおよびリモートセンシングデータの組み合わせにより、太陽風の発生源とそのコロナ的駆動要因を、前例のない同時分析が可能となった。
• バナスの重力スリングショットを用いた軌道設計により、宇宙船は太陽の緯度最大33°に到達でき、これまでは達成されていなかったヘリオスフィアミッションの水準を大きく上回った。
• Solar Orbiter と Parker Solar Probe 間の協調観測により、太陽風構造およびコロナ質量噴出（CME）に関する新たな知見が得られている。
• 専用のリモートセンシングウィンドウと機器間の協調運用を含む、ミッションの科学運用コンセプトは、全機器にわたり成功裏に実装され、高い科学的成果が得られている。