Кіріспе

NASA спутнигі Explorer бағдарламасы. Advanced Composition Explorer (ACE немесе Explorer 71) – NASA Explorer бағдарламасының спутнигі және күндік желден, планетаралық кеңістіктен және басқа да көздерден келетін жоғары энергиялы бөлшектерден құралған материяны зерттеуге арналған ғарыш зерттеу миссиясы. ACE-ден алынған деректерді Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқару (NOAA) ғарыш кеңістігінің күйін болжау орталығы (SWPC) күн дауылдарының болжамын жақсарту және ескертулер беру үшін пайдаланады. ACE роботтық ғарыш кемесі 1997 жылдың 25 тамызында ұшырылып, 1997 жылдың 12 желтоқсанында Күн мен Жер арасындағы Лагранж нүктесіне жақын Лассажу орбитасына енді. Ғарыш кемесі қазіргі таңда сол орбитада жұмыс істеп жатыр. ACE Кеплерлік емес орбитада болғандықтан және тұрақты орбитаны сақтап тұру маневрлері болғандықтан, жанындағы ақпараттық қораптағы орбиталық параметрлер шамамен ғана берілген. 2023 жылғы мәліметтер бойынша, ғарыш кемесінің жағдайы әлі де жақсы, және 2024 жылға дейін орбитасын сақтап тұруға жеткілікті жанармайы бар деп күтілуде. NASA Годдард ғарыш ұшу орталығы ACE ғарыш кемесін жасау және интеграциялауды басқарды.

Тарих

Advanced Composition Explorer (ACE) 1986 жылы Explorer тұжырымдамасын зерттеу бағдарламасының бір бөлігі ретінде ұсынылды. ACE күн желiнен галактикалық ғарыш сәулелерiнiң энергиясына дейiнгi, яғни нуклонидегi энергияның алты он жылдығын қамтитын H (сутек) пен Zn (цинк) аралығындағы үдетiлген ядролардың элементтiк және изотоптық құрамын координацияланған түрде өлшеуге арналған. Бұл өлшеулер бұрынғыдан әлдеқайда артық сезiмталдықпен, сонымен қатар заряд және масса бойынша жоғары ажыратымдылықпен жүзеге асырылады. А кезеңiндегi зерттеуден кейiн ACE 1989 жылы дамытуға таңдалды және 1994 жылы құрылысы басталды. 1997 жылғы 25 тамызда ACE Delta II зымыран тасығышымен Кейп-Канаверал әуе күштерi станциясынан сәттi ұшырылды. 1997 жылғы тамыздағы ұшыру алғашқыда 1993 жылы жоспарланған едi.

Космикалық сәулелер изотоптық спектрометрі (CRIS)

Космикалық сәулелік изотоптық спектрометр Advanced Composition Explorer-дің энергиялық қамтуының ең жоғарғы диапазонын, 50-ден 500 МэВ/нуклонға дейін, Z ≈ 2-ден 30-ға дейінгі элементтер үшін изотоптық ажыратымдылықпен қамтиды. Бұл энергиялық интервалда анықталған ядролар негізінен біздің Галактикамыздан шыққан ғарыш сәулелері болып табылады. Галактикалық материяның бұл үлгісі, бастапқы материалдың нуклеосинтезін, сондай-ақ бұл бөлшектердің Галактикада және планетаралық ортада өтетін фракциялау, үдеу және тасымалдау процестерін зерттейді. CRIS арқылы заряд пен массаны анықтау, кремний детекторлары қатарындағы dE/dx және жалпы энергияның бірнеше өлшемдеріне, сондай-ақ сцинтилляциялық оптикалық талшық траекториясы (SOFT) ходоскопындағы траектория өлшемдеріне негізделген. Құралдың геометриялық факторы изотоптарды өлшеу үшін sr-ға тең.

Электронды, протонды және альфа-бөлшектік мониторы (EPAM)

ACE ғарыш кемесіндегі Электрондық, Протондық және Альфалық Монитор (EPAM) құралы жоғары уақыт ажыратымдылығымен энергиялы бөлшектердің кең ауқымын дерлік толық бірлік сферасында өлшеуге арналған. Мұндай иондар мен электрондарды бірнеше ондаған килоэлектронвольттан бірнеше мегаэлектронвольтқа дейінгі диапазонда өлшеу күн жарқылының динамикасын, коротациялық өзара әрекеттесу аймақтарын (КӨА), планетааралық соққы үдеуін және Жерге жақын болатын құбылыстарды түсіну үшін маңызды. EPAM-ның үлкен динамикалық диапазоны иондар үшін шамамен 50 кэВ-тан 5 МэВ-қа дейін, ал электрондар үшін 40 кэВ-тан 350 кэВ-қа дейін жетеді. Электрондық және иондық өлшеулерді толықтыру үшін EPAM құрамында композициялық апертура (CA) бар, ол түрлер тобының қарқыны және/немесе жеке импульс биіктігі оқиғалары түрінде тіркелген ион түрлерін нақты анықтайды. Құрал кеңістіктік жабындыны бес телескоп арқылы қамтиды, олар ғарыш кемесінің айналу осіне әртүрлі бұрыштарда бағытталған. 1,5 және 24 секунд аралығындағы уақыт ажыратымдылығымен алынған төмен энергиялы бөлшектерді өлшеу және құралдың үш өлшемде бөлшектердің анизотропиясын бақылау мүмкіндігі EPAM-ді ACE ғарыш кемесіндегі басқа құралдарды қолдана отырып жүргізілетін зерттеулер үшін планетааралық контекстті ұсынуға мүмкіндік беретін құнды ресурс етеді.

Магнитометр (МАГ)

ACE-дегі магнит өрісі эксперименті планетааралық кеңістіктегі жергілікті магнит өрісін үздіксіз өлшейді. Бұл өлшемдер энергетикалық және жылулық бөлшектердің ACE-де бір мезгілде жүргізілетін бақылауларын түсіндіру үшін маңызды. Экспериментте екі жұп, бумға орнатылған, үш остық магниттік сенсорлар бар. Олар ғарыш кемесінің ортасынан 419 см қашықтықта, бір-біріне қарама-қарсы күн панельдерінде орналасқан. Екі үш остық сенсор теңгерілген, толыққанды екіленген векторлық құралды қамтамасыз етеді және ғарыш кемесінің магнит өрісін бағалауды жақсартуға мүмкіндік береді.

Күн желінің нақты уақыт режимі (RTSW)

Күн желінің нақты уақытты бақылау жүйесі (RTSW) күн желісін үздіксіз мониторингтейді және күрт геомагниттік белсенділіктердің басталуы туралы бір сағатқа дейін алдын ала ескертулер береді. NOAA жүйесінен шығарылған ескертулер мен хабарламалар, мұндай белсенділікке сезімтал жүйелері бар мамандарға алдын ала шаралар қабылдауға мүмкіндік береді. RTSW жүйесі төрт ACE құралынан (MAG, SWEPAM, EPAM және SIS) күн желісі мен жоғары энергетикалық бөлшектер туралы деректерді жоғары уақыттық ажыратымдылықпен жинап, деректерді төмен жылдамдықты бит ағынына біріктіріп, оларды үздіксіз таратуды қамтамасыз етеді. NASA ғылыми деректерді жүктеген кезде күн сайын NOAA-ға нақты уақыт деректерін жібереді. Арнайы жер станциялары (Жапониядағы CRL және Ұлыбританиядағы RAL) және қолданыстағы жер серіктік бақылау желілеріндегі (NASA DSN және USAF AFSCN) уақытты пайдалану арқылы RTSW жүйесі жыл бойы тәулік бойы деректерді қабылдай алады. Шикі деректер бірден жер станциясынан Боулдердегі (Колорадо штаты) Ғарыш ауа райы болжау орталығына жіберіліп, өңделеді, содан кейін оның Ғарыш ауа райы операциялық орталығына жеткізіледі, онда олар күнделікті жұмыстарда қолданылады; деректер сондай-ақ Хираисо станциясындағы CRL аймақтық ескерту орталығына, АҚШ Әскери-әуе күштерінің 55-ші Ғарыш ауа райы эскадрильясына және Әлемдік желіге орналастырылады. Деректер ACE-ден шыққаннан кейін 5 минут ішінде жүктеп алынып, өңделіп, таратылады. RTSW жүйесі сонымен қатар планетаралық шоктардың жақындап келе жатқанын ескерту үшін төмен энергетикалық бөлшектерді пайдаланады және спутниктік жүйелерде радиациялық зақымдануға себеп болатын жоғары энергетикалық бөлшектердің ағынын бақылауға көмектеседі.

Күн энергиясы бар бөлшектердің иондық зарядты талдаушысы (SEPICA)

Күн энергетикалық бөлшектер иондық зарядты талдағышы (SEPICA) – Күн және планетааралық энергетикалық бөлшектердің иондық зарядтық күйлерін ≈0.2 МэВ нуклон 1-ден ≈5 МэВ заряд 1 энергия диапазонында анықтаған Advanced Composition Explorer (ACE) ғарыш кемесіндегі құрал. Энергетикалық иондардың зарядтық күйі осы бөлшектер тобының бастапқы температурасын, үдеуін, фракциялануын және тасымалдану процестерін анықтау үшін маңызды ақпаратты қамтиды. SEPICA өзінің алдыңғы құралы ULEZEQ-тан (ISEE 1 және ISEE 3 ғарыш кемелерінде орналасқан) әлдеқайда үлкен геометриялық коэффициентпен жеке зарядтық күйлерді анықтау қабілетіне ие болды, және SEPICA осы құралдың негізінде жасалған. Осы екі талапты бірдей орындау үшін SEPICA жоғары зарядтық ажыратымдылыққа ие сенсорлық бөлімнен және екі төмен зарядтық ажыратымдылыққа ие, бірақ үлкен геометриялық коэффициенті бар бөлімдерден тұрады. 2008 жылдан бастап газ клапандарының бұзылуына байланысты бұл құрал жұмыс істемейді.

Күн желінің электроны, протоны және альфа мониторы (SWEPAM)

Күн желінің электрондары, протондары және альфа бөлшектерін зерттейтін (SWEPAM) эксперименті Advanced Composition Explorer (ACE) үшін күн желінің негізгі мәліметтерін ұсынады. Бұл мәліметтер ACE-де жүргізілетін элементтік және изотоптық құрамды өлшеулерге контекст береді, сондай-ақ короналық масса шығарылымдары, планетааралық шоктар және күн желінің ұсақ құрылымы сияқты көптеген күн желі құбылыстарын жетілдірілген 3D плазмалық құралдармен тікелей зерттеуге мүмкіндік береді. Олар гелиосфералық және магнитосфералық көпғарышкерлік зерттеулер үшін де өте қолайлы деректер жиынтығын құрайды, оларды басқа, бір уақытта алынған мәліметтермен бірге пайдалануға болады, мысалы, Ulysses ғарыш кемесінен алынған мәліметтермен. SWEPAM бақылаулары тәуелсіз электрондық (SWEPAM e) және иондық (SWEPAM i) құралдармен бір уақытта жүргізіледі. ACE жобасының шығындарын азайту мақсатында SWEPAM e және SWEPAM i – NASA/ESA Ulysses бірлескен миссиясының қайта пайдаланған ұшу резервтік бөліктері. Екі құрал да ACE миссиясы мен ғарыш кемесінің талаптарына сәйкес келу үшін таңдап алынып жөнделді, өзгертілді және жаңартылды. Екі құралдың да электростатикалық анализаторлары бар, олардың желдей пішіндес көру бұрыштары ғарыш кемесі айналғанда барлық қажетті бағыттарды қамтиды.

Күн желінің иондық құрамы спектрометрі (SWICS) және Күн желінің иондық массалық спектрометрі (SWIMS)

Күн желінің иондық құрамы спектрометрі (SWICS) және Күн желінің иондық массалық спектрометрі (SWIMS) – Күн және жұлдызаралық кеңістіктегі материяның химиялық және изотоптық құрамын өлшеуге арналған оңтайландырылған құралдар. SWICS Күн желінің химиялық және иондық зарядтық құрамын, H-ден Fe-ге дейінгі барлық негізгі күн желінің иондарының жылулық және орташа жылдамдықтарын 300 км/с-1 (протон) және 170 км/с-1 (Fe+16) жоғары барлық күн желінің жылдамдықтарында ерекше анықтады, сондай-ақ Күн мен жұлдызаралық көздерден H және He изотоптарын ажыратты. SWICS жұлдызаралық бұлттың және шаң бұлтының иондарының 100 кэВ/e-1 энергиясына дейінгі таралу функцияларын да өлшеді. SWIMS күн желінің химиялық, изотоптық және зарядтық құрамын He мен Ni арасындағы барлық элементтер үшін өлшейді. Екі құралдың да әрқайсысы ұшу уақытының массалық спектрометрлері болып табылады және электростатикалық талдау, одан кейін ұшу уақытын және қажет болған жағдайда энергияны өлшеуді қолданады. 2011 жылдың 23 тамызында SWICS ұшу уақыты электроникасы қартаю және сәулеленудің әсерінен туындаған аппараттық аномалияға ұшырады, бұл құрамдық деректердегі фон деңгейін арттырды. Бұл фонның әсерін азайту үшін деректердегі иондарды анықтау моделі тек электростатикалық анализатормен өлшенген зарядқа шаққандағы ион энергиясын және қатты күйдегі детекторлармен өлшенген ион энергиясын пайдалану үшін түзетілді. Бұл SWICS-ке аппараттық аномалияға дейін жалпыға қолжетімді болған деректердің бір бөлігін беруді жалғастыруға мүмкіндік берді, соның ішінде оттегі мен көміртегінің иондық зарядтық күйінің қатынастарын және Күн желінің темірін өлшеуді қамтиды. SWICS-тің протон тығыздығы, жылдамдығы және жылу жылдамдығын өлшеуіне бұл аномалия әсер етпеді және қазіргі күнге дейін жалғасуда.

АСЕ арқылы байқалған бөлшектердің спектрлері

1-суретте күннің ең төмен белсенділігінен кейінгі уақыт кезеңінде ACE-де оттегі бөлшектерінің флюенсі (берілген уақыт аралығындағы жалпы ағыны) көрсетілген. Ең төмен энергиялы бөлшектер 300-800 км/с жылдамдықпен қозғалатын баяу және жылдам күн желдерінен пайда болады. Барлық иондардың күн жел таралымы сияқты, оттегінің де жоғары энергиялы бөлшектерінің супретермиялық құйрығы бар; яғни, күн желдің негізгі ағынында плазманың энергия таралуы шамамен жылулық таралымға ұқсас, бірақ 5 кэВ-тан жоғары айқын артық мөлшері бар, бұл 1-суретте көрсетілген. ACE тобы осы құйрықтардың пайда болуын және олардың бөлшектерді қосымша үдету процестеріне жіберудегі рөлін түсінуге үлес қосты. Күн жел бөлшектерінен жоғары энергияда ACE коротациялық өзара әрекеттесу аймақтарынан (CIR) бөлшектерді байқайды. CIR-лер күн желдің біртекті болмауынан пайда болады. Күннің айналуы салдарынан жоғары жылдамдықты ағындар алдыңғы баяу күн желдерімен соқтығысып, шамамен 2-5 астрономиялық бірлікте (АБ, Жер мен Күн арасындағы қашықтық) соққы толқындарын тудырып, CIR-лерді құрайды. Бұл соққылармен үдетілген бөлшектер әдетте 1 АБ төмен энергияда, шамамен 10 МэВ/нуклон энергиясында байқалады. ACE өлшемдері CIR-лердің құрамында жұлдызаралық бейтарап гелий иондану кезінде пайда болатын бір зарядты гелийдің маңызды үлесі бар екенін растайды. Одан да жоғары энергияда өлшенген бөлшек ағынының басты үлесін жылдам короналды масса шығарылымдары (КМШ) және күн жарқындарынан туындаған планетаралық шоктармен байланысты күн энергиялы бөлшектері (СЭБ) құрайды. Гелий-3 және гелий иондарының жоғары концентрациясы осы СЭБ-тер үшін негізгі бастапқы популяциясы – супретермиялық құйрықтар екенін көрсетеді. IP шоктары шамамен 100 МэВ/нуклонға дейін супретермиялық құйрықтан бөлшектерді үдету арқылы қозғалады. IP шоктары өте маңызды, себебі олар ACE-ден өтетін кезеңде бөлшектерді үдетуді жалғастыра алады, соның арқасында шок үдету процестерін орнында зерттеуге мүмкіндік туады. ACE байқаған басқа жоғары энергиялы бөлшектер – аномалды ғарыш сәулелері (АҒС), олардың бастауы жұлдызаралық бейтарап атомдар, ішкі гелиосферада иондалып, "жинап алынған" иондарды құрайды және кейіннен сыртқы гелиосферада нуклонға 10 МэВ-тан жоғары энергияға дейін үдетіледі. ACE сонымен қатар жинап алынған иондарды тікелей байқайды; оларды оңай анықтауға болады, себебі олар бір зарядты. Соңында, ACE байқаған ең жоғары энергиялы бөлшектер – галактикалық ғарыш сәулелері (ГҒС), олардың біздің галактикамыздағы супернова жарылыстарынан туындаған соққы толқындарымен үдетілетіні есептеледі.

АЕК-тің басқа нәтижелері

Ұшырылғаннан кейін көп ұзамай, ACE-дегі SEP сенсорлары күтпеген ерекшеліктері бар күн оқиғаларын тіркеді. Көптеген ірі, соққы арқылы үдетілген SEP оқиғаларынан өзгеше, бұл оқиғалар темір мен гелий-3-ке жоғары дәрежеде тоймасқан, сондай-ақ әлдеқайда кішкентай, жарылысқа байланысты импульстік SEP оқиғалары сияқты. Іске қосылғанның алғашқы жылында ACE мұндай "гибридтік" оқиғалардың көптеген түрлерін анықтады, бұл оларды тудыратын жағдайлар туралы қауымдастықта кең талқылауға әкелді. Гелиосфералық физикадағы маңызды жаңалықтың бірі – кең таралған спектральдік пішінге ие супертермиялық бөлшектердің кездесуі. Бұл пішін күтпеген жерден тыныш күн желдерінде, соққылардан кейінгі бұзылған жағдайларда, оның ішінде CIR-лерде және гелиосфераның басқа да аймақтарында байқалады. Бұл байқаулар Фиск пен Глоеклердің бөлшектерді үдетудің жаңа механизмін ұсынуына себеп болды. Тағы бір жаңалық – күн дақтары, КМЭ және СЭП арқылы өлшенгенде, қазіргі күн циклы алдыңғы циклге қарағанда магниттік белсенділігі әлдеқайда төмен болды. McComas және авторлар тобы "Улисс" спутнигінің барлық ендіктердегі және ACE-нің эклиптикалық жазықтықтағы өлшеулеріне сәйкес, күн желдерінің динамикалық қысымы шамамен 20 жыл бойы төмендеп келе жатқанын көрсетті. Олар Күннің жалпы гелиосфераға әсер ететін жаһандық өзгерістерден өтіп жатқанына тоқталып өтті. Сонымен қатар, GCR қарқындылығы артып, 2009 жылы соңғы 50 жылдың ішінде ең жоғары деңгейге жетті. Күннің магниттік белсенділігі жоғары болғанда GCR-дің Жерге жетуі қиын, сондықтан 2009 жылғы GCR қарқындылығының жоғары деңгейі күн желдерінің жаһандық динамикалық қысымының төмендеуімен сәйкес келеді. ACE сонымен қатар ғарыштық сәулелердегі никель-59 және кобальт-59 изотоптарының мөлшерін өлшейді; бұл өлшеулер никель-59 байланған электрондармен жартылай ыдырау мерзімінен (7,6 × 104 жыл) ұзақ уақыт өткенін көрсетеді. Мұндай ұзақ кешігулер ғарыштық сәулелердің жаңа суперновалардың шығарылымдарынан емес, ескі жұлдыздық немесе жұлдызаралық материалдың үдеуінен пайда болғанын көрсетеді. ACE сонымен қатар, күн жүйесі материалдарындағы осы арақатынасқа қарағанда байытылған темір-58/темір-56 арақатынасын өлшейді. Осы және басқа да зерттеулер ғарыштық сәулелердің галактикалық супербульбашкаларда пайда болуы туралы теорияға әкелді, олар бірнеше миллион жыл ішінде көптеген суперновалар жарылған аймақтарда қалыптасады. Ферми гамма сәулелер обсерваториясының "Аққу" (Cygnus) супербульбасындағы жаңадан үдетілген ғарыштық сәулелердің коконын жақында бақылауы осы теорияны қолдайды.

Келесі ғарыш ауа райы обсерваториясы

2015 жылдың 11 ақпанында NASA және Ұлттық мұхит және атмосфералық басқару басқармасы (National Oceanic and Atmospheric Administration) бірлесіп, Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) – бірнеше ұқсас құралдармен, соның ішінде Жерге қарай келетін короналық массалық шығарылымдарды анықтауға арналған, жаңа және одан да сезімтал құралмен жабдықталған ғарыш аппаратын SpaceX Falcon 9 ұшыру құралымен Флорида штатының Канаверал мысынан сәтті ұшырды. Ғарыш аппараты ұшырылғаннан кейін 100 күннен астам соң, 2015 жылдың 8 маусымында L1 нүктесіне жетті. ACE ғарыш станциясымен бірге, екеуі де ACE жұмыс істей алатын мерзімге дейін ғарыш ауа райы туралы деректерді ұсынады.