Введение
Спутник NASA программы Explorer Advanced Composition Explorer (ACE или Explorer 71) – это спутник программы NASA Explorer и миссия по исследованию космоса, предназначенная для изучения материи, состоящей из энергичных частиц солнечного ветра, межпланетной среды и других источников. Данные, получаемые от ACE в режиме реального времени, используются Центром прогнозирования космической погоды (SWPC) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) для повышения точности прогнозов и предупреждений о солнечных бурях. Автоматический космический аппарат ACE был запущен 25 августа 1997 года и 12 декабря 1997 года вышел на орбиту Лиссажу вблизи точки Лагранжа (расположенной между Солнцем и Землей на расстоянии от последней). В настоящее время космический аппарат продолжает работать на этой орбите. Поскольку ACE находится на некеплеровой орбите и регулярно выполняет маневры коррекции положения, орбитальные параметры, указанные в соседнем информационном блоке, являются лишь приблизительными. По состоянию на 2023 год космический аппарат находится в удовлетворительном состоянии и, по прогнозам, имеет достаточное количество топлива для поддержания орбиты до 2024 года. Разработкой и интеграцией космического аппарата ACE руководил Центр космических полетов имени Годдарда NASA.
Advanced Composition Explorer (ACE or Explorer 71) is a NASA Explorer program satellite and space exploration mission to study matter comprising energetic particles from the solar wind, the interplanetary medium, and other sources. Real time data from ACE are used by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Space Weather Prediction Center (SWPC) to improve forecasts and warnings of solar storms. The ACE robotic spacecraft was launched on 25 August 1997, and entered a Lissajous orbit close to the Lagrange point (which lies between the Sun and the Earth at a distance of some from the latter) on 12 December 1997. The spacecraft is currently operating at that orbit. Because ACE is in a non Keplerian orbit, and has regular station keeping maneuvers, the orbital parameters in the adjacent information box are only approximate. as of 2023, the spacecraft is still in generally good condition, and is projected to have enough propellant to maintain its orbit until 2024. NASA Goddard Space Flight Center managed the development and integration of the ACE spacecraft.
История
Advanced Composition Explorer (ACE) был предложен в 1986 году в рамках программы изучения концепций Explorer. ACE предназначен для проведения согласованных измерений элементного и изотопного состава ускоренных ядер от H (водорода) до Zn (цинка), охватывающих шесть порядков величины в энергии на нуклон, от энергий солнечного ветра до энергий галактических космических лучей, с высокой чувствительностью и разрешением по заряду и массе, значительно превосходящим ранее достигнутое. После определения концепции на Фазе А, ACE был выбран для разработки в 1989 году, а строительство началось в 1994 году. 25 августа 1997 года ACE был успешно запущен с авиабазы Кейп-Канаверал с помощью ракеты-носителя Delta II. Запуск в августе 1997 года первоначально планировался на 1993 год.
Спектрометр изотопов космических лучей (CRIS)
Спектрометр изотопов космических лучей охватывает верхний диапазон энергетического охвата прибора Advanced Composition Explorer, от 50 до 500 МэВ/нуклон, обеспечивая изотопное разрешение для элементов с Z ≈ 2 до 30. Ядра, детектируемые в этом энергетическом интервале, преимущественно являются космическими лучами, происходящими из нашей Галактики. Этот образец галактического вещества позволяет исследовать нуклеосинтез исходного материала, а также процессы фракционирования, ускорения и переноса, которым подвергаются эти частицы в Галактике и в межпланетной среде. Идентификация заряда и массы в CRIS основана на многократных измерениях dE/dx и полной энергии в стопках кремниевых детекторов, а также на измерениях траектории в сцинтилляционном оптиковолоконном трековом (SOFT) ходоскопе. Геометрический фактор прибора составляет sr для измерений изотопов.
Монитор электронов, протонов и альфа-частиц (EPAM)
Инструмент Electron, Proton, and Alpha Monitor (EPAM) на борту космического аппарата ACE предназначен для измерения широкого спектра энергичных частиц почти на 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 ко-вращения (CIR), межпланетного ускорения ударными волнами и явлений, наблюдаемых вблизи Земли перед приходом возмущений. Большой динамический диапазон EPAM простирается от приблизительно 50 кэВ до 5 МэВ для ионов и от 40 кэВ до около 350 кэВ для электронов. В дополнение к измерениям электронов и ионов, EPAM также оснащен композиционной апертурой (CA), которая однозначно идентифицирует типы ионов, представляемые в виде скоростей групп видов и/или отдельных событий по высоте импульса. Широкий пространственный охват инструмента достигается благодаря пяти телескопам, ориентированным под разными углами к оси вращения космического аппарата. Измерения низкоэнергетичных частиц, получаемые с временным разрешением от 1,5 до 24 секунд, и способность инструмента наблюдать анизотропию частиц в трех измерениях делают EPAM ценным ресурсом для обеспечения межпланетного контекста при проведении исследований с использованием других инструментов на борту ACE.
Магнитометр (МАГ)
Эксперимент по измерению магнитного поля на борту АСЕ обеспечивает непрерывные измерения локального магнитного поля в межпланетной среде. Эти измерения необходимы для интерпретации одновременных наблюдений АСЕ распределений энергичных и тепловых частиц. Эксперимент состоит из пары идентичных трехосных датчиков магнитной индукции, установленных на стрелах, которые расположены на расстоянии 165 дюймов (419 см) от центра космического аппарата на противоположных солнечных панелях. Два трехосных датчика образуют сбалансированный, полностью резервируемый векторный прибор и позволяют более точно оценить магнитное поле самого космического аппарата.
Солнечный ветер в реальном времени (RTSW)
Система мониторинга солнечного ветра в реальном времени (RTSW) непрерывно отслеживает солнечный ветер и выдает предупреждения о надвигающейся крупной геомагнитной активности за один час. Предупреждения и оповещения, выпускаемые NOAA, позволяют организациям, использующим чувствительное к такой активности оборудование, принимать профилактические меры. Система RTSW собирает данные о солнечном ветре и энергичных частицах с высоким временным разрешением с помощью четырех приборов ACE (MAG, SWEPAM, EPAM и SIS), упаковывает эти данные в низкоскоростной битовый поток и непрерывно передает их. NASA ежедневно отправляет данные в реальном времени в NOAA при загрузке научных данных. Благодаря комбинации выделенных наземных станций (CRL в Японии и RAL в Великобритании) и использованию существующих сетей наземного слежения (NASA DSN и AFSCN ВВС США), система RTSW может принимать данные круглосуточно в течение всего года. Необработанные данные немедленно отправляются с наземной станции в Центр прогнозирования космической погоды в Боулдере, штат Колорадо, где они обрабатываются и затем передаются в Центр оперативного управления космической погодой для использования в ежедневной работе. Данные также передаются в Региональный центр оповещения CRL на станции Хираисо в Японии, в 55-ю эскадрилью космической погоды ВВС США и публикуются в сети World Wide Web. Данные загружаются, обрабатываются и распространяются в течение 5 минут после их получения от ACE. Система RTSW также использует энергичные частицы низкой энергии для предупреждения о приближающихся межпланетных ударах и для мониторинга потока высокоэнергетических частиц, способных вызывать радиационное повреждение спутниковых систем.
Анализатор ионного заряда солнечных энергетических частиц (SEPICA)
Анализатор ионного заряда солнечных энергетических частиц (SEPICA) был инструментом на борту аппарата Advanced Composition Explorer (ACE), предназначенным для определения состояний ионного заряда солнечных и межпланетных энергетических частиц в диапазоне энергий от ≈0,2 МэВ на нуклон до ≈5 МэВ на заряд. Состояние заряда энергетических ионов содержит ключевую информацию, позволяющую понять температуру источника, механизмы ускорения, фракционирования и переноса этих популяций частиц. SEPICA обладала способностью разделять отдельные состояния заряда с существенно большим геометрическим фактором, чем у её предшественника ULEZEQ на аппаратах ISEE 1 и ISEE 3, на основе которого и была разработана SEPICA. Для одновременного достижения этих двух требований SEPICA состояла из одной секции датчика с высоким разрешением по заряду и двух секций с низким разрешением по заряду, но с большим геометрическим фактором. С 2008 года данный прибор перестал функционировать из-за выхода из строя газовых клапанов.
Монитор электрона, протона и альфа солнечного ветра (SWEPAM)
Эксперимент "Солнечный ветер - электронный, протонный, альфа-монитор" (SWEPAM) предоставляет основные данные наблюдений солнечного ветра для аппарата Advanced Composition Explorer (ACE). Эти наблюдения служат контекстом для измерений элементного и изотопного состава, выполненных на ACE, а также позволяют напрямую изучать различные явления солнечного ветра, такие как выбросы корональной массы, межпланетные удары и тонкая структура солнечного ветра, с использованием современных трехмерных плазменных приборов. Они также предоставляют идеальный набор данных для гелиосферных и магнитосферных исследований с использованием нескольких космических аппаратов, где их можно сопоставлять с другими одновременными наблюдениями, полученными с аппаратов, таких как "Улисс". Наблюдения SWEPAM проводятся одновременно с независимыми электронным (SWEPAM e) и ионным (SWEPAM i) приборами. С целью снижения затрат на проект ACE, приборы SWEPAM e и SWEPAM i представляют собой восстановленные резервные экземпляры, использовавшиеся в совместной миссии NASA/ESA "Улисс". Оба прибора прошли выборочную переработку, модификацию и модернизацию для соответствия требованиям миссии ACE и космического аппарата. В их состав входят электростатические анализаторы, чьи веерообразные поля зрения охватывают все необходимые направления обзора по мере вращения космического аппарата.
Спектрометр ионного состава солнечного ветра (SWICS) и масс-спектрометр ионного состава солнечного ветра (SWIMS)
Спектрометр ионного состава солнечного ветра (SWICS) и масс-спектрометр ионных масс солнечного ветра (SWIMS) на борту ACE – это приборы, оптимизированные для измерений химического и изотопного состава солнечного и межзвездного вещества. SWICS однозначно определил химический состав и ионный заряд солнечного ветра, тепловые и средние скорости всех основных ионов солнечного ветра от H до Fe при всех скоростях солнечного ветра выше 300 км/с (протоны) и 170 км/с (Fe+16), а также различил изотопы H и He как солнечного, так и межзвездного происхождения. SWICS также измерял функции распределения ионов, захваченных из межзвездного облака и облака пыли, с энергиями до 100 кэВ/e−1. SWIMS измеряет химический, изотопный состав и состояние заряда солнечного ветра для каждого элемента от He до Ni. Каждый из этих двух приборов является масс-спектрометром с измерением времени пролета и использует электростатический анализ, за которым следует измерение времени пролета и, при необходимости, измерение энергии. 23 августа 2011 года в электронике измерения времени пролета SWICS произошла аппаратная аномалия, вызванная старением и радиацией, которая привела к увеличению уровня фонового шума в данных о составе. Для уменьшения влияния этого фона модель идентификации ионов в данных была скорректирована таким образом, чтобы использовать только энергию иона на единицу заряда, измеренную электростатическим анализатором, и энергию иона, измеренную твердотельными детекторами. Это позволило SWICS продолжать предоставлять часть данных, которые были доступны для общественности до аппаратной аномалии, включая отношения ионных зарядов кислорода и углерода, а также измерения солнечного ветра, содержащего железо. Измерения плотности, скорости и тепловой скорости протонов, выполняемые SWICS, не были затронуты этой аномалией и продолжаются по настоящее время.
Спектра частиц, наблюдаемые с помощью ACE
На рисунке 1 показана флюенция частиц (общий поток за данный период времени) кислорода, зарегистрированная аппаратом ACE, за период времени сразу после солнечного минимума – фазы 11-летнего солнечного цикла, характеризующейся наименьшей солнечной активностью. Частицы с самой низкой энергией приходят от медленного и быстрого солнечного ветра, со скоростями от примерно 300 до 800 км/с. Как и распределение всех ионов в солнечном ветре, распределение кислорода имеет супретермальный хвост частиц с более высокой энергией; то есть, в системе отсчета основного потока солнечного ветра, энергетическое распределение плазмы приблизительно соответствует тепловому распределению, но содержит заметный избыток при энергиях выше примерно 5 кэВ, что 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 регистрирует частицы из областей, известных как коротирующие области взаимодействия (CIR). CIR формируются из-за неоднородности солнечного ветра. Вследствие вращения Солнца, высокоскоростные потоки сталкиваются с предшествующим медленным солнечным ветром, создавая ударные волны на расстоянии примерно 2–5 астрономических единиц (а.е., расстояние между Землей и Солнцем) и формируя CIR. Частицы, ускоренные этими ударными волнами, обычно наблюдаются на расстоянии 1 а.е. при энергиях ниже примерно 10 МэВ на нуклон. Измерения, выполненные ACE, подтверждают, что CIR содержат значительную долю однозаряженного гелия, образующегося при ионизации межзвездного нейтрального гелия. При еще более высоких энергиях основной вклад в измеренный поток частиц вносят солнечные энергетические частицы (SEP), связанные с межпланетными (IP) ударными волнами, вызванными быстрыми корональными выбросами массы (CME) и солнечными вспышками. Повышенное содержание гелия-3 и ионов гелия указывает на то, что супретермальные хвосты являются основным источником затравки для этих SEP. IP-удары, распространяющиеся со скоростями до примерно, ускоряют частицы из супретермального хвоста до 100 МэВ на нуклон и выше. IP-удары особенно важны, поскольку они могут продолжать ускорять частицы по мере прохождения через ACE, что позволяет изучать процессы ускорения ударными волнами непосредственно на месте. Другие высокоэнергетические частицы, регистрируемые ACE, – это аномальные космические лучи (ACR), которые образуются из нейтральных межзвездных атомов, ионизирующихся во внутренней гелиосфере с образованием ионов "подбора", которые затем ускоряются до энергий, превышающих 10 МэВ на нуклон во внешней гелиосфере. ACE также непосредственно наблюдает ионы "подбора"; их легко идентифицировать по одинаковому заряду. Наконец, частицы с наивысшей энергией, регистрируемые ACE, – это галактические космические лучи (GCR), которые, как считается, ускоряются ударными волнами от взрывов сверхновых в нашей Галактике.
Другие выводы из ACE
Вскоре после запуска датчики SEP на борту ACE зафиксировали солнечные события с неожиданными характеристиками. В отличие от большинства крупных событий SEP, ускоренных ударными волнами, они были сильно обогащены железом и гелием-3, как и гораздо меньшие импульсные события SEP, связанные с солнечными вспышками. В течение первого года работы ACE обнаружил множество таких "гибридных" событий, что вызвало широкую дискуссию в научном сообществе относительно условий, способных их породить. Одним из выдающихся недавних открытий в физике гелиосферы стало повсеместное присутствие сверхтепловых частиц с общей спектральной формой. Эта форма неожиданно наблюдается в спокойном солнечном ветре, в возмущенных условиях за фронтами ударных волн, включая МСВ (CIR), и в других областях гелиосферы. Эти наблюдения побудили Фиска и Глоеклера предложить новый механизм ускорения частиц. Другим открытием стало то, что текущий солнечный цикл, определяемый по количеству солнечных пятен, корональных выбросов массы (СМЭ) и событий SEP, оказался значительно менее активным в магнитном отношении, чем предыдущий. Маккомас и др. показали, что динамическое давление солнечного ветра, измеренное спутником Ulysses на всех широтах и ACE в плоскости эклиптики, коррелирует и уменьшалось в течение примерно двух десятилетий. Они пришли к выводу, что Солнце переживает глобальные изменения, влияющие на всю гелиосферу. Одновременно с этим наблюдалось увеличение интенсивности ГКР (галактических космических лучей), достигшей максимального значения за последние 50 лет в 2009 году. ГКР испытывают больше трудностей при достижении Земли, когда Солнце более магнитно активно, поэтому высокая интенсивность ГКР в 2009 году согласуется с общим снижением динамического давления солнечного ветра. ACE также измеряет содержание изотопов никеля-59 и кобальта-59 в составе космических лучей; эти измерения указывают на то, что между моментом образования никеля-59 при взрыве сверхновой и моментом ускорения космических лучей прошло время, превышающее период полураспада никеля-59 со связанными электронами (7,6 × 104 лет). Такие большие задержки свидетельствуют о том, что космические лучи образуются в результате ускорения старого звездного или межзвездного вещества, а не свежих продуктов взрыва сверхновой. ACE также измеряет отношение железа-58 к железу-56, которое обогащено по сравнению с тем же отношением в материале Солнечной системы. Эти и другие результаты привели к теории о происхождении космических лучей в галактических сверхпузырях, формирующихся в областях, где в течение нескольких миллионов лет взрываются многочисленные сверхновые. Недавние наблюдения кокона свежеускоренных космических лучей в сверхпузыре Лебедя, выполненные гамма-обсерваторией Fermi, подтверждают эту теорию.
Дальнейшая космическая метеорологическая обсерватория
11 февраля 2015 года Глубокая космическая климатическая обсерватория (DSCOVR) – оснащенная несколькими аналогичными приборами, включая более новый и чувствительный инструмент для обнаружения направленных к Земле выбросов корональной массы – была успешно запущена НАСА и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований при помощи ракеты-носителя SpaceX Falcon 9 с мыса Канаверал, штат Флорида. Космический аппарат достиг точки L1 8 июня 2015 года, спустя немногим более 100 дней после запуска. Вместе с аппаратом ACE они оба будут предоставлять данные о космической погоде, пока ACE сможет продолжать работу.