研究太阳高能粒子起源的寻径实验

©美国宇航局

太空天气

联合NASA-U.S。美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory)一项致力于研究太阳能量粒子(太阳最危险的辐射形式)起源的实验已经准备就绪。

UVSC探路者——紫外光谱日冕仪探路者的简称——将搭乘美国国防部空间测试计划-3(STP-3)任务的主要航天器STPSat-6前往太空。STP-3计划不早于11月22日在佛罗里达州卡纳维拉尔角空间站搭载联合发射联盟Atlas V 551火箭升空。

太阳高能粒子(SEP)是一种空间天气,对空间探索构成重大挑战。太阳粒子风暴,或SEP事件,发生在太阳以如此高的速度将高能粒子发射到太空,一些粒子在不到一小时内到达地球——9300万英里之外。强大粒子的阵阵冲击会对宇宙飞船造成严重破坏,并使宇航员暴露在危险的辐射中。

UVSC探路者将观察太阳外层大气的最低区域,即日冕,SEPs被认为是在那里产生的。虽然太阳在最活跃的时候几乎每天都会喷发,但在任何一个给定的11年太阳周期中,只有大约20次破坏性的太阳粒子风暴。科学家们无法可靠地预测哪一种会产生sep,也无法预测其强度。了解并最终预测这些太阳风暴对于未来的太空探索至关重要。

华盛顿特区美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)的天体物理学家伦纳德·斯特拉坎(Leonard Strachan)是此次任务的首席研究员,他说:“这是一个探路者,因为我们正在展示预测这类太空天气的新技术和新方法。”“现在,还没有真正的方法来预测这些粒子风暴何时会发生。”

理解和预测sep

UVSC探路者是一种日冕仪,一种能够阻挡太阳明亮的表面以显示周围较暗日冕的仪器。大多数日冕仪都有一个带有一系列遮光器的单孔,遮住太阳,减少杂散光。UVSC探路者的新奇之处在于,它使用了五个独立的光圈,每个光圈都有自己的遮光器——大大增强了来自日冕的信号。

在日冕中,科学家们希望找到一组特殊的粒子,最终成为太阳高能粒子。不仅仅是太阳大气中的任何常规粒子都能被激发到SEP。相反,科学家认为SEP来自居住在日冕中的大量种子粒子,这些粒子的温度和能量已经是其邻居的10倍左右。这些可能来自明亮的能量爆发(称为耀斑)或日冕中的强磁场区域(称为电流片)。

要点燃种子粒子,需要一定的太阳活动。偶尔,太阳会释放出大量的太阳物质云,称为日冕物质抛射。这些爆炸会在前方产生一种冲击,就像在快艇前方出现的波浪一样。斯特拉坎解释说:“如果日冕物质抛射的速度足够快,”——至少每秒600英里——“就会产生一种冲击,将这些粒子扫走。”“这些粒子从冲击中获得了如此多的能量,它们变成了SEPs。”

与大多数在可见光下拍摄图像的日冕仪不同,UVSC探路者是独一无二的,因为它与测量紫外线的分光计结合在一起,紫外线是一种人眼看不见的光。通过分析日冕中的光,研究人员希望确定种子粒子何时出现。

科学家们经常从近地角度观察SEP——距离它们的起源有9300万英里。由于种子粒子只存在于日冕中,因此无法直接测量它们。UVSC探路者旨在通过在紫外光下遥感其特征来观察难以捉摸的粒子。“我们对它们知之甚少,”美国海军研究实验室物理学家、UVSC探路者科学带头人马丁·拉明(Martin Laming)说。“这真是一个突破性的观察。”

SEP群的影响是严重的。当涉及到航天器时,它们可以烧毁电子设备,破坏卫星的计算机编程,损坏太阳能电池板,甚至使用于导航的航天器的星跟踪器失去方向。这种效果就像在暴风雪中行驶时迷路一样:SEPs占据了恒星追踪器的视野,失去了自我定位的能力,它脱离了轨道。

对人类来说,SEP是危险的,因为它们可以穿过航天器或宇航员的皮肤,在那里它们可以破坏细胞或DNA。这种损害会增加日后罹患癌症的风险,或者在极端情况下,会在短期内导致急性放射病。(在地球上,我们星球的保护磁场和大气层保护人类免受这种伤害。)1972年8月,在阿波罗16号和17号任务之间,一系列巨大的太阳耀斑提醒人们太阳活动和辐射所构成的威胁。

UVSC探路者实验标志着了解SEP来自何处以及它们在穿越太阳系时如何演化的一大步。这些数据将帮助科学家预测太阳爆炸是否会产生有问题的SEP,就像我们预测地球上的恶劣天气事件一样。预报将使航天器操作员和宇航员能够采取措施减轻其影响。拉明说:“如果我们的想法是正确的,那么种子粒子将是辐射风暴的一个非常重要的特征,需要警惕。”。

加入美国宇航局的太阳物理学舰队

UVSC探路者号是美国宇航局太阳物理天文台舰队的最新成员。美国国家航空航天局(NASA)的太阳物理学任务研究的是一个巨大的、相互关联的系统,从太阳到地球和其他行星周围的空间,再到太阳不断流动的太阳风流的最远边界。UVSC Pathfinder提供了SEPs的关键信息,使未来的空间探索成为可能。

这次任务的观测结果将补充另外两个太阳观测站的观测结果。新的日冕仪将在距离太阳86.5万英里的地方观测,而美国宇航局的帕克太阳探测器和欧洲航天局以及美国宇航局的太阳轨道器将分别在距离太阳380万英里和2670万英里的地方直接对太空进行采样。斯特拉坎说:“我们希望,当SEPs离开太阳时,协调观测将有助于确定它们的演化。”

美国宇航局太阳物理学部门的首席技术专家丹尼尔·摩西说:“美国宇航局的科学项目从纯研究任务的结果中获得预测空间天气工具的历史悠久。”“NASA科学任务理事会、海军研究实验室和国防部STP计划之间的合作在这一领域取得了特别丰硕的成果。UVSC Pathfinder延续了这一令人自豪的基础研究合作传统,有潜力开发一种新的、具有预测能力的高冲击工具。”

UVSC Pathfinder是美国宇航局和美国海军研究实验室的有效载荷,搭载在国防部的空间测试计划卫星-6(STPSat-6)上。它与美国宇航局的激光通信中继演示(LCRD)同时飞行,该演示正在测试一种增强的通信能力,有可能将带宽增加到射频系统的10到100倍,从而使空间任务能够将更多数据发送回家。

UVSC探路者是在美国海军研究实验室设计和建造的。它是由NASA的太阳物理学计划和海军研究办公室资助的。它由NASA总部的太阳物理技术和科学仪器开发项目办公室管理。STP由美国空间部队的空间和导弹系统中心运营。

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