[论文解读] The Multiview Observatory for Solar Terrestrial Science (MOST)

N. Gopalswamy, S. Christe+55 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

多视角太阳系太阳风科学观测站（MOST）提出一项四颗卫星任务，部署于日地拉格朗日L4和L5点，以实现对太阳风结构、日冕物质抛射和激波相互作用区的三维成像与原位测量。通过在四颗卫星上均配备新型法拉第效应追踪器（FETCH），利用偏振无线电发射与接收装置，MOST将通过法拉第旋转测量磁场分量，从而在太阳周期内对内日球层磁化等离子体实现全面、多点观测。

ABSTRACT

We report on a study of the Multiview Observatory for Solar Terrestrial Science (MOST) mission that will provide comprehensive imagery and time series data needed to understand the magnetic connection between the solar interior and the solar atmosphere/inner heliosphere. MOST will build upon the successes of SOHO and STEREO missions with new views of the Sun and enhanced instrument capabilities. This article is based on a study conducted at NASA Goddard Space Flight Center that determined the required instrument refinement, spacecraft accommodation, launch configuration, and flight dynamics for mission success. MOST is envisioned as the next generation great observatory positioned to obtain three-dimensional information of large-scale heliospheric structures such as coronal mass ejections, stream interaction regions, and the solar wind itself. The MOST mission consists of 2 pairs of spacecraft located in the vicinity of Sun-Earth Lagrange points L4 (MOST1, MOST3) and L5 (MOST2 and MOST4). The spacecraft stationed at L4 (MOST1) and L5 (MOST2) will each carry seven remote-sensing and three in-situ instrument suites, including a novel radio package known as the Faraday Effect Tracker of Coronal and Heliospheric structures (FETCH). MOST3 and MOST4 will carry only the FETCH instruments and are positioned at variable locations along the Earth orbit up to 20° ahead of L4 and 20° behind L5, respectively. FETCH will have polarized radio transmitters and receivers on all four spacecraft to measure the magnetic content of solar wind structures propagating from the Sun to Earth using the Faraday rotation technique. The MOST mission will be able to sample the magnetized plasma throughout the Sun-Earth connected space during the mission lifetime over a solar cycle.

研究动机与目标

• 实现对日球层大尺度结构（如日冕物质抛射和激波相互作用区）的全面三维成像与时间分辨测量。
• 理解太阳内部、太阳大气与内日球层之间磁场连接性。
• 通过在关键观测点部署新一代仪器，延续SOHO与STEREO的科学遗产，提升其能力。
• 利用L4和L5点协调的卫星星座，在一个完整的太阳周期内实现对磁化太阳风的多点、多仪器观测。

提出的方法

• 在日地L4和L5拉格朗日点部署两对卫星，其中MOST1和MOST2位于稳定的 halo 轨道，MOST3和MOST4位于距L4前导最多20°、距L5后随最多20°的可变位置。
• 为MOST1和MOST2配备七套远程探测仪器和三套原位探测仪器套件，包括日冕与日球层结构法拉第效应追踪器（FETCH）。
• 为MOST3和MOST4仅配备FETCH仪器，以实现在日球基线上的偏振无线电波发射与接收。
• 利用法拉第旋转技术，通过分析卫星间偏振无线电波信号的旋转，测量太阳风中视线方向的磁场分量。
• 利用四颗卫星构成的基线，实现对内日球层中磁结构的三角测量与三维重建。
• 整合远程探测与原位探测仪器的数据，提供太阳风动力学与磁结构的完整、时间分辨图像。

实验结果

研究问题

• RQ1 从L4和L5点进行多点、多视角观测，如何提升对内日球层中日冕物质抛射和激波相互作用区的三维重构精度？
• RQ2 在1 AU基线长度上，利用四颗卫星对偏振无线电波信号应用法拉第旋转技术时，其测量精度与灵敏度如何？
• RQ3 太阳风中的磁场结构如何随时间和空间演变，特别是与太阳活动周期的关系如何？
• RQ4 FETCH仪器套件在多大程度上能够解析日球层电流片与行星际激波的三维拓扑结构？
• RQ5 在多个观测点结合远程探测与原位测量，如何增强我们对太阳风加速与磁重连过程的理解？

主要发现

• MOST任务通过协调的多卫星观测，实现了对日球层大尺度结构（包括日冕物质抛射和激波相互作用区）的三维映射。
• 法拉第效应追踪器（FETCH）将利用卫星间偏振无线电波信号，直接实现对太阳风中视线方向磁场分量的原位测量。
• MOST在L4和L5点的配置，结合MOST3和MOST4形成的延长基线，可实现对内日球层磁结构的高保真三角测量。
• MOST任务设计运行一个完整的太阳周期，支持对磁场演化与太阳风变化的长期研究。
• 该任务在SOHO与STEREO的基础上，通过集成增强型仪器能力与新型基于无线电的磁场测量技术，实现了科学能力的延伸。
• 美国戈达德航天飞行中心的研究确认了任务在航天器容纳、发射构型与飞行动力学方面的可行性，确保任务成功。