Advanced Composition Explorer ( ACE или Explorer 71 ) — это спутник программы NASA Explorer и космическая исследовательская миссия по изучению вещества , состоящего из энергичных частиц из солнечного ветра , межпланетной среды и других источников.
Данные в реальном времени от ACE используются Центром прогнозирования космической погоды (SWPC ) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA ) для улучшения прогнозов и предупреждений о солнечных бурях . [2] Роботизированный космический аппарат ACE был запущен 25 августа 1997 года и вышел на орбиту Лиссажу вблизи точки Лагранжа L 1 (которая находится между Солнцем и Землей на расстоянии около 1 500 000 км (930 000 миль) от последней) 12 декабря 1997 года. [3] В настоящее время космический аппарат работает на этой орбите. Поскольку ACE находится на некеплеровской орбите и регулярно совершает маневры по поддержанию положения на орбите, параметры орбиты в соседнем информационном поле являются лишь приблизительными.
По состоянию на 2023 год [обновлять][ 4] космический корабль в целом находится в хорошем состоянии. [1] Центр космических полетов имени Годдарда НАСА руководил разработкой и интеграцией космического корабля ACE. [5]
Advanced Composition Explorer (ACE) был предложен в 1986 году как часть исследовательской программы Explorer Concept. ACE предназначен для проведения скоординированных измерений элементного и изотопного состава ускоренных ядер от H ( водорода ) до Zn ( цинка ), охватывающих шесть десятилетий по энергии на нуклон , от солнечного ветра до энергий галактических космических лучей, с чувствительностью и разрешением по заряду и массе, намного лучшими, чем это было возможно ранее. После исследования определения фазы A, ACE был выбран для разработки в 1989 году и начал строительство в 1994 году. 25 августа 1997 года ACE был успешно запущен со станции ВВС на мысе Канаверал с помощью ракеты-носителя Delta II . Запуск в августе 1997 года был первоначально запланирован еще на 1993 год. [6]
Наблюдения ACE позволяют исследовать широкий спектр фундаментальных проблем в следующих четырех основных областях: [7]
Основной целью является точное и всестороннее определение элементного и изотопного состава различных образцов «исходного материала», из которого ускоряются ядра. Эти наблюдения были использованы для:
Изотопные «аномалии» в метеоритах указывают на то, что Солнечная система не была однородной при формировании. Аналогично, Галактика не является ни однородной в пространстве, ни постоянной во времени из-за непрерывного звездного нуклеосинтеза .
Измерения ACE использовались для:
Солнечные энергичные частицы , солнечный ветер и спектроскопические наблюдения показывают, что элементный состав солнечной короны отличается от состава фотосферы , хотя процессы, посредством которых это происходит, и посредством которых солнечный ветер впоследствии ускоряется, плохо изучены. Подробные данные о составе и состоянии заряда, предоставленные ACE, используются для:
Ускорение частиц повсеместно в природе, и понимание его природы является одной из фундаментальных проблем астрофизики космической плазмы . Уникальный набор данных, полученный с помощью измерений ACE, был использован для:
Спектрометр изотопов космических лучей охватывает самый высокий диапазон энергетического покрытия Advanced Composition Explorer, от 50 до 500 МэВ/нуклон, с изотопным разрешением для элементов от Z ≈ 2 до 30. Ядра, обнаруженные в этом энергетическом интервале, в основном являются космическими лучами, происходящими из нашей Галактики. Этот образец галактической материи исследует нуклеосинтез родительского материала, а также процессы фракционирования, ускорения и переноса, которым подвергаются эти частицы в Галактике и в межпланетной среде. Идентификация заряда и массы с помощью CRIS основана на множественных измерениях dE/dx и полной энергии в стопках кремниевых детекторов и траекторных измерениях в годоскопе сцинтилляционной оптоволоконной траектории (SOFT) . Прибор имеет геометрический фактор 250 см 2 (39 кв. дюймов)-ср для изотопных измерений. [8]
Инструмент Electron, Proton, and Alpha Monitor (EPAM) на космическом аппарате ACE предназначен для измерения широкого спектра энергичных частиц почти по всей единичной сфере с высоким временным разрешением. Такие измерения ионов и электронов в диапазоне от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ необходимы для понимания динамики солнечных вспышек , областей взаимодействия с со-вращающимся вращением (CIR), ускорения межпланетных ударных волн и восходящих земных событий. Большой динамический диапазон EPAM простирается от примерно 50 кэВ до 5 МэВ для ионов и от 40 кэВ до примерно 350 кэВ для электронов. В дополнение к своим электронным и ионным измерениям EPAM также оснащен композиционной апертурой (CA), которая однозначно идентифицирует виды ионов, сообщаемые как скорости групп видов и/или отдельные события амплитуды импульса. Инструмент достигает своего большого пространственного покрытия с помощью пяти телескопов, ориентированных под разными углами к оси вращения космического аппарата. Измерения частиц низкой энергии, полученные с временным разрешением от 1,5 до 24 секунд, и способность прибора наблюдать анизотропию частиц в трех измерениях делают EPAM превосходным ресурсом для предоставления межпланетного контекста для исследований с использованием других инструментов на космическом корабле ACE. [9]
Эксперимент по магнитному полю на ACE обеспечивает непрерывные измерения локального магнитного поля в межпланетной среде. Эти измерения необходимы для интерпретации одновременных наблюдений ACE за энергетическими и тепловыми распределениями частиц. Эксперимент состоит из пары двойных, смонтированных на штанге, триаксиальных датчиков потока , которые расположены в 165 дюймах (419 см) от центра космического корабля на противоположных солнечных панелях. Два триаксиальных датчика обеспечивают сбалансированный, полностью избыточный векторный инструмент и позволяют проводить некоторую улучшенную оценку магнитного поля космического корабля. [10]
Система Real-Time Solar Wind (RTSW) непрерывно отслеживает солнечный ветер и выдает предупреждения о надвигающейся крупной геомагнитной активности за час до ее наступления. Предупреждения и оповещения, выдаваемые NOAA, позволяют тем, у кого есть системы, чувствительные к такой активности, принимать превентивные меры. Система RTSW собирает данные о солнечном ветре и энергичных частицах с высоким временным разрешением с четырех инструментов ACE (MAG, SWEPAM, EPAM и SIS), упаковывает данные в низкоскоростной поток битов и непрерывно транслирует данные. NASA отправляет данные в реальном времени в NOAA каждый день при загрузке научных данных. Благодаря сочетанию выделенных наземных станций (CRL в Японии и RAL в Великобритании) и времени в существующих наземных сетях слежения (NASA DSN и AFSCN ВВС США) система RTSW может получать данные 24 часа в сутки в течение всего года. Необработанные данные немедленно отправляются с наземной станции в Центр прогнозирования космической погоды в Боулдере, штат Колорадо , обрабатываются, а затем доставляются в его Центр операций по космической погоде, где они используются в ежедневных операциях; данные также доставляются в Региональный центр оповещения CRL на станции Хираисо , Япония, в 55-ю эскадрилью космической погоды ВВС США и размещаются во Всемирной паутине . Данные загружаются, обрабатываются и распространяются в течение 5 минут с момента их выхода из ACE. Система RTSW также использует низкоэнергетические энергичные частицы для предупреждения о приближающихся межпланетных ударах и для помощи в мониторинге потока высокоэнергетических частиц, которые могут вызывать радиационные повреждения в спутниковых системах. [11]
Анализатор заряда ионов солнечных энергетических частиц (SEPICA) был инструментом на Advanced Composition Explorer (ACE), который определял состояния заряда ионов солнечных и межпланетных энергетических частиц в диапазоне энергий от ≈0,2 МэВ нукл-1 до ≈5 МэВ заряд-1. Состояние заряда энергетических ионов содержит ключевую информацию для определения температуры источника, ускорения, фракционирования и процессов переноса для этих популяций частиц. SEPICA обладал способностью разрешать отдельные зарядовые состояния со значительно большим геометрическим фактором, чем его предшественник ULEZEQ на ISEE-1 и ISEE-3 , на которых была основана SEPICA. Для одновременного выполнения этих двух требований SEPICA состояла из одной секции датчика с высоким разрешением заряда и двух секций с низким разрешением заряда, но большим геометрическим фактором. [12]
По состоянию на 2008 год этот прибор больше не функционирует из-за отказа газовых клапанов. [1]
Солнечный изотопный спектрометр (SIS) обеспечивает высокоточные измерения изотопного состава энергичных ядер от He до Zn (Z = от 2 до 30) в диапазоне энергий от ~10 до ~100 МэВ/нуклон. Во время крупных солнечных событий SIS измеряет изотопное содержание солнечных энергичных частиц для непосредственного определения состава солнечной короны и изучения процессов ускорения частиц. Во время солнечных спокойных периодов SIS измеряет изотопы низкоэнергетических космических лучей из Галактики и изотопы аномального компонента космических лучей , который возникает в близлежащей межзвездной среде. SIS имеет два телескопа, состоящих из кремниевых твердотельных детекторов, которые обеспечивают измерения ядерного заряда, массы и кинетической энергии падающих ядер. В каждом телескопе траектории частиц измеряются парой двумерных кремниевых полосовых детекторов, оснащенных специальной сверхбольшой интегральной электроникой (VLSI) для обеспечения как измерений положения, так и потерь энергии. SIS был специально разработан для достижения превосходного разрешения по массе в экстремальных условиях высокого потока, встречающихся в крупных событиях солнечных частиц. Он обеспечивает геометрический фактор 40 см 2 ср, что значительно больше, чем у более ранних спектрометров изотопов солнечных частиц. [13]
Эксперимент Solar Wind Electron Proton Alpha Monitor (SWEPAM) обеспечивает объемные наблюдения солнечного ветра для Advanced Composition Explorer (ACE). Эти наблюдения обеспечивают контекст для измерений элементного и изотопного состава, проводимых на ACE, а также позволяют проводить прямое изучение многочисленных явлений солнечного ветра, таких как выброс корональной массы , межпланетные ударные волны и тонкая структура солнечного ветра, с помощью передовых трехмерных плазменных приборов. Они также обеспечивают идеальный набор данных для исследований как гелиосферы, так и магнитосферы с использованием нескольких космических аппаратов, где их можно использовать совместно с другими одновременными наблюдениями с космических аппаратов, таких как Ulysses . Наблюдения SWEPAM проводятся одновременно с помощью независимых электронных (SWEPAM-e) и ионных (SWEPAM-i) приборов. В целях экономии средств на проект ACE SWEPAM-e и SWEPAM-i являются переработанными запасными частями из совместной миссии NASA / ESA Ulysses. Оба прибора прошли выборочную реконструкцию, модификацию и модернизацию, необходимые для выполнения миссии ACE и требований космического корабля. Оба включают электростатические анализаторы, чьи веерообразные поля зрения охватывают все соответствующие направления взгляда по мере вращения космического корабля. [14]
Спектрометр состава ионов солнечного ветра (SWICS) и масс-спектрометр ионов солнечного ветра (SWIMS) на ACE — это приборы, оптимизированные для измерений химического и изотопного состава солнечной и межзвездной материи. SWICS однозначно определил химический и ионно-зарядный состав солнечного ветра , тепловые и средние скорости всех основных ионов солнечного ветра от H до Fe на всех скоростях солнечного ветра выше 300 км/с −1 (протоны) и 170 км/с −1 (Fe+16), а также разрешил изотопы H и He как солнечных, так и межзвездных источников. SWICS также измерил функции распределения ионов , захваченных как межзвездным облаком, так и пылевым облаком, до энергий 100 кэВ/э −1 . SWIMS измеряет химический, изотопный и зарядовый состав солнечного ветра для каждого элемента между He и Ni. Каждый из двух приборов представляет собой времяпролетный масс-спектрометр и использует электростатический анализ с последующим измерением времени пролета и, при необходимости, энергии. [15] [16]
23 августа 2011 года электроника времени пролета SWICS столкнулась с аномалией оборудования, вызванной возрастом и радиацией, что увеличило уровень фона в данных о составе. Чтобы смягчить влияние этого фона, модель идентификации ионов в данных была скорректирована так, чтобы использовать только энергию ионов на заряд, измеренную электростатическим анализатором, и энергию ионов, измеренную твердотельными детекторами. Это позволило SWICS продолжить поставлять подмножество продуктов данных, которые были предоставлены общественности до аномалии оборудования, включая отношения зарядовых состояний ионов кислорода и углерода, а также измерения железа солнечного ветра. Измерения плотности, скорости и тепловой скорости протонов SWICS не были затронуты этой аномалией и продолжаются по сей день. [1]
Изотопный спектрометр сверхнизких энергий (ULEIS) на космическом аппарате ACE — это масс-спектрометр сверхвысокого разрешения , который измеряет состав частиц и энергетические спектры элементов He–Ni с энергиями от ~45 кэВ/нуклон до нескольких МэВ/нуклон. ULEIS исследует частицы, ускоренные в событиях солнечных энергичных частиц , межпланетных ударных волнах и в ударной волне окончания солнечного ветра. Определяя энергетические спектры, массовый состав и временные вариации в сочетании с другими инструментами ACE, ULEIS значительно улучшает наши знания о солнечном изобилии, а также о других резервуарах, таких как локальная межзвездная среда . ULEIS сочетает в себе высокую чувствительность, необходимую для измерения потоков низких частиц, с возможностью работы в самых крупных событиях солнечных частиц или межпланетных ударных волнах. В дополнение к подробной информации по отдельным ионам, ULEIS имеет широкий диапазон скоростей счета для различных ионов и энергий, что позволяет точно определять потоки частиц и анизотропию в течение коротких (несколько минут) временных шкал. [17]
На рисунке 1 показан поток частиц (общий поток за определенный период времени) кислорода в ACE для периода времени сразу после солнечного минимума, части 11-летнего солнечного цикла, когда солнечная активность самая низкая. [18] Частицы с самой низкой энергией поступают из медленного и быстрого солнечного ветра со скоростями от примерно 300 до примерно 800 км/с. Как и распределение всех ионов в солнечном ветре, у кислорода есть надтепловой хвост из частиц с более высокой энергией; то есть в рамках основного солнечного ветра плазма имеет распределение энергии, которое приблизительно является тепловым распределением, но имеет заметный избыток выше примерно 5 кэВ , как показано на рисунке 1. Команда ACE внесла вклад в понимание происхождения этих хвостов и их роли в инжекции частиц в дополнительные процессы ускорения.
При энергиях, превышающих энергии частиц солнечного ветра, ACE наблюдает частицы из областей, известных как области коротирующего взаимодействия (CIR). CIR образуются из-за того, что солнечный ветер неоднороден. Из-за вращения Солнца высокоскоростные потоки сталкиваются с предшествующим медленным солнечным ветром, создавая ударные волны примерно на 2–5 астрономических единиц (а.е., расстояние между Землей и Солнцем) и формируя CIR. Частицы, ускоренные этими ударами, обычно наблюдаются на 1 а.е. ниже энергий около 10 МэВ на нуклон. Измерения ACE подтверждают, что CIR включают значительную долю однократно заряженного гелия, образующегося при ионизации межзвездного нейтрального гелия. [19]
При еще более высоких энергиях основной вклад в измеряемый поток частиц вносят солнечные энергичные частицы (SEP), связанные с межпланетными (IP) ударными волнами, вызванными быстрыми корональными выбросами массы (CME) и солнечными вспышками. Обогащенное содержание гелия-3 и ионов гелия показывает, что надтепловые хвосты являются основной затравочной популяцией для этих SEP. [20] IP-удары, движущиеся со скоростью примерно до 2000 км/с (1200 миль/с), ускоряют частицы из надтеплового хвоста до 100 МэВ на нуклон и более. IP-удары особенно важны, поскольку они могут продолжать ускорять частицы, проходящие через ACE, и, таким образом, позволяют изучать процессы ускорения ударных волн in situ.
Другие высокоэнергетические частицы, наблюдаемые ACE, — это аномальные космические лучи (ACR), которые возникают из нейтральных межзвездных атомов, которые ионизируются во внутренней гелиосфере, образуя ионы «подхвата», а затем ускоряются до энергий более 10 МэВ на нуклон во внешней гелиосфере. ACE также наблюдает ионы «подхвата» напрямую; их легко идентифицировать, поскольку они имеют один заряд. Наконец, самые высокоэнергетические частицы, наблюдаемые ACE, — это галактические космические лучи (GCR), которые, как считается, ускоряются ударными волнами от взрывов сверхновых в нашей галактике.
Вскоре после запуска датчики SEP на ACE обнаружили солнечные события, которые имели неожиданные характеристики. В отличие от большинства крупных, ускоренных ударной волной событий SEP, эти были сильно обогащены железом и гелием-3, как и гораздо меньшие, связанные со вспышками импульсные события SEP. [21] [22] В течение первого года работы ACE обнаружил множество таких «гибридных» событий, что привело к обширному обсуждению в сообществе того, какие условия могли их генерировать. [23]
Одним из замечательных недавних открытий в физике гелиосферы стало повсеместное присутствие надтепловых частиц с общей спектральной формой. Эта форма неожиданно возникает в спокойном солнечном ветре; в возмущенных условиях ниже по течению от ударных волн, включая CIR; и в других местах гелиосферы. Эти наблюдения привели Фиска и Глоклера [24] к предложению нового механизма ускорения частиц.
Другое открытие состояло в том, что текущий солнечный цикл, измеренный по солнечным пятнам, корональным выбросам массы и выбросам солнечной энергии, был гораздо менее магнитно активным, чем предыдущий цикл. Маккомас и др. [25] показали, что динамическое давление солнечного ветра, измеренное спутником Ulysses на всех широтах и ACE в плоскости эклиптики, коррелирует и снижается со временем в течение примерно 2 десятилетий. Они пришли к выводу, что Солнце претерпевает глобальные изменения, которые влияют на общую гелиосферу. Одновременно с этим интенсивность ГКЛ увеличивалась и в 2009 году была самой высокой, зарегистрированной за последние 50 лет. [26] ГКЛ труднее достигают Земли, когда Солнце более магнитно активно, поэтому высокая интенсивность ГКЛ в 2009 году согласуется с глобально сниженным динамическим давлением солнечного ветра.
ACE также измеряет распространенность изотопов никеля-59 и кобальта-59 космических лучей ; эти измерения показывают, что между временем, когда никель-59 был создан при взрыве сверхновой, и временем, когда космические лучи были ускорены, прошло время, превышающее период полураспада никеля-59 со связанными электронами (7,6 × 10 4 лет). [27] Такие длительные задержки указывают на то, что космические лучи возникают из-за ускорения старого звездного или межзвездного материала, а не из свежего выброса сверхновой. ACE также измеряет соотношение железа-58 / железа-56 , которое обогащено по сравнению с тем же соотношением в материале солнечной системы. [28] Эти и другие открытия привели к теории происхождения космических лучей в галактических сверхпузырях , образующихся в регионах, где многие сверхновые взрываются в течение нескольких миллионов лет. Недавние наблюдения кокона свежеускоренных космических лучей в сверхпузыре Лебедя гамма-обсерваторией Ферми [29] подтверждают эту теорию.
11 февраля 2015 года обсерватория глубокого космического климата (DSCOVR) — с несколькими аналогичными инструментами, включая более новый и более чувствительный инструмент для обнаружения выбросов корональной массы, связанных с Землей — была успешно запущена НАСА и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований на борту ракеты- носителя SpaceX Falcon 9 с мыса Канаверал , Флорида . Космический аппарат прибыл в точку L 1 8 июня 2015 года, всего через 100 дней после запуска. [30] Наряду с ACE, оба будут предоставлять данные о космической погоде до тех пор, пока ACE сможет продолжать функционировать. [31]
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
