[论文解读] Solar Orbiter: Exploring the Sun-heliosphere connection

Daniel Mueller, R. G. Marsden+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 120被引用 22

一句话总结

Solar Orbiter 是欧空局与美国国家航空航天局的联合任务，旨在通过结合在距太阳0.28 AU以内的原位测量与倾斜轨道上的高分辨率远程观测，研究太阳-日球层关联。这种独特组合实现了前所未有的原位与成像协同，以解析太阳如何驱动日球层，标志着日球物理学领域的一项突破。

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.

研究动机与目标

• 解决日球物理学的核心问题：太阳如何形成并控制日球层？
• 通过在太阳附近测量等离子体和磁场特性，解析太阳风与日冕磁场的起源。
• 理解太阳瞬变事件与爆发如何产生填充日球层的高能粒子辐射。
• 通过多点、多仪器观测，研究太阳发电机在驱动太阳-日球层关联中的作用。
• 实现太阳在高空间与时间分辨率下的同步原位与远程观测，特别是在高太阳地理纬度区域。

提出的方法

• 利用三轴稳定化的航天器，配备热盾和两块单面太阳帆板，确保在距太阳0.28 AU以内安全运行。
• 采用原位仪器组合（EPD、MAG、RPW、SWA）对太阳风等离子体、磁场、波动及高能粒子进行原位测量。
• 为航天器配备远程观测仪器（EUI、METIS、PHI、SoloHI、SPICE、STIX），实现对太阳大气与日冕的全太阳成像、高分辨率成像、光谱学与偏振测量。
• 通过地球与金星的引力助推，执行轨道机动，实现近日点轨道，最大太阳地理纬度达25°（常规任务）至36°（扩展任务）。
• 每轨道在近日点及太阳纬度极值附近执行三个10天的高速率观测窗口，以最大化远程观测仪器的科学产出。
• 实现原位与远程观测仪器之间的协同观测，将太阳风结构与其太阳源区关联起来，任务设计类似行星飞越任务。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么驱动太阳风？日冕磁场又源自何处？
• RQ2 太阳瞬变事件如何驱动日球层的变异性？
• RQ3 太阳爆发如何产生填充日球层的高能粒子辐射？
• RQ4 太阳发电机如何运作，并驱动太阳与日球层之间的关联？

主要发现

• Solar Orbiter 将在距太阳最小距离0.28 AU处实现对太阳风等离子体、磁场、波动及高能粒子的原位测量，此时太阳风仍保持相对原始状态。
• 该任务将从倾斜轨道实现太阳的同步高分辨率成像与光谱观测，直接建立太阳风结构与其源区之间的联系。
• 同一航天器上原位与远程观测仪器的结合，使以往任务无法实现的科学成为可能，尤其在解析太阳风起源与日冕磁场结构方面具有突破性意义。
• 通过金星引力助推实现的轨道设计，使任务能够抵达最高36°的太阳地理纬度，首次实现对太阳极区的近距离、多点观测。
• 与 NASA 的 Solar Probe Plus 协同观测，后者可抵达0.16 AU，将在更近距离提供互补的原位测量，显著提升对内日球层的科学产出。
• 任务的科学运管分为每轨道三个10天的高速率观测窗口，最大化在近日点与高纬度穿越期间的数据采集，同时在整个轨道周期内保持连续的原位运行。