[论文解读] 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 9

一句话总结

太阳轨道器是欧空局与美国国家航空航天局联合执行的任务，于2020年发射，旨在通过在距离太阳0.28 AU以内的原位测量与太阳系黄道面以外的高分辨率遥感观测相结合，研究太阳和太阳系行星际环境。该任务实现了对太阳大气层和太阳风前所未有的同步观测，推动了对太阳活动及太阳系行星际耦合机制的理解。

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.

研究动机与目标

• 理解太阳如何通过其磁活动和太阳风调控太阳系行星际环境的形成与演化。
• 研究太阳活动随时间变化的驱动机制。
• 从靠近太阳且位于黄道面以外的有利位置，以前所未有的空间与时间分辨率观测太阳日冕与太阳风。
• 首次在单一航天器上实现原位与遥感仪器的协同观测。
• 与帕克太阳探测器等其他任务及地面观测站建立协同，以增强太阳系行星际科学的研究。

提出的方法

• 任务采用六台遥感仪器组成的科学载荷，用于成像和光谱分析太阳日冕与光球层。
• 四台原位仪器在距离太阳最近达0.28 AU的位置，对太阳风等离子体、高能粒子及电磁场进行原位测量。
• 航天器采用高度椭圆、逐渐倾斜的轨道，利用金星引力助推实现高太阳纬度的观测。
• 任务设计包含专门的遥感观测窗口及各仪器间的协同观测计划，以最大化科学产出。
• 通过金星引力助推（金星飞越）优化轨道，提高轨道倾角并减小近日点距离。
• 科学运行通过任务级科学活动计划（SAP）进行管理，协调各仪器工作，并与外部任务如帕克太阳探测器协同。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳磁场的结构与动力学如何控制太阳系行星际环境的形成与演化？
• RQ2 日冕中哪些物理过程导致日冕加热及太阳风加速？
• RQ3 太阳活动如何随时间变化？太阳周期与爆发性事件的驱动机制是什么？
• RQ4 在距离太阳最近0.28 AU处，太阳风与高能粒子的特性如何？其随太阳纬度的变化特征是什么？
• RQ5 借助任务高倾角轨道实现的太阳极区遥感观测，如何增进对太阳磁场演化机制的理解？

主要发现

• 太阳轨道器首次在0.28 AU处接近太阳，实现了前所未有的近距离原位太阳风测量。
• 任务成功获取了来自黄道面以外位置的太阳日冕与光球层高分辨率遥感观测，包括首次直接成像太阳极区。
• 同一航天器上原位与遥感数据的结合，使太阳风源及其日冕驱动机制的前所未有的同步分析成为可能。
• 通过金星引力助推设计的轨道，使航天器达到最高33°的太阳纬度，显著超过以往太阳系行星际任务。
• 太阳轨道器与帕克太阳探测器的协同观测已为太阳风结构与日冕物质抛射提供了新见解。
• 任务的科学运行概念，包括专门的遥感观测窗口与仪器协调，已成功实施，确保所有仪器均实现高科学产出。