Европейская обсерватория для изучения Солнца SOHO

Введение

Европейская космическая обсерватория

Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO) — космический аппарат Европейского космического агентства (ESA), построенный европейским промышленным консорциумом под руководством Matra Marconi Space (ныне Airbus Defence and Space), который был запущен с помощью ракеты-носителя Lockheed Martin Atlas IIAS 2 декабря 1995 года для изучения Солнца. Он также обнаружил более 5000 комет. Начало нормальной работы состоялось в мае 1996 года. Это совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и NASA. SOHO являлся частью Международной программы исследования Солнца и Земли (ISTP). Первоначально планировавшаяся как двухлетняя миссия, SOHO продолжает функционировать более 25 лет в космосе; миссия продлена до конца 2025 года с учетом рассмотрения и подтверждения Комитетом по научной программе ЕКА. Помимо своей научной миссии, SOHO является основным источником данных о Солнце в околореальном времени для прогнозирования космической погоды. Вместе с аппаратами Wind, Advanced Composition Explorer (ACE) и Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), SOHO входит в число четырех космических аппаратов, расположенных вблизи точки L1 системы Земля — Солнце — точки гравитационного равновесия, находящейся примерно в 0,99 астрономической единицы (АЕ) от Солнца и в 0,01 АЕ от Земли. Помимо своих научных достижений, SOHO отличается тем, что является первым трехосевым стабилизированным космическим аппаратом, использующим свои реактивные колёса в качестве своеобразного виртуального гироскопа; эта технология была внедрена после аварийной ситуации на борту в 1998 году, которая чуть не привела к потере аппарата.

Орбита

Космический аппарат SOHO находится на орбите гало вокруг точки L1 Солнце-Земля, точки между Землей и Солнцем, где равновесие гравитации (более массивного) Солнца и гравитации (менее массивной) Земли соответствует центростремительной силе, необходимой для того, чтобы объект имел тот же орбитальный период вокруг Солнца, что и Земля, что обеспечивает его удержание в этом относительном положении. Хотя SOHO иногда описывают как находящийся в точке L1, он не расположен точно в ней, поскольку это затруднило бы связь из-за радиопомех, создаваемых Солнцем, и не обеспечило бы стабильную орбиту. Вместо этого он движется в (постоянно меняющейся) плоскости, проходящей через L1 и перпендикулярной линии, соединяющей Солнце и Землю. Он остаётся в этой плоскости, описывая эллиптическую орбиту гало с центром вблизи L1. Он совершает один оборот вокруг L1 каждые шесть месяцев, в то время как сама точка L1 обращается вокруг Солнца за 12 месяцев, будучи связанной с движением Земли. Это обеспечивает постоянную возможность связи SOHO с Землей.

Связь с Землей

В нормальной работе космический аппарат передает непрерывный поток данных со скоростью 200 кбит/с, состоящий из фотографий и других измерений, через сеть наземных станций NASA Deep Space Network. Данные SOHO о солнечной активности используются для прогнозирования времени прибытия корональных выбросов массы (CME) к Земле, чтобы защитить электросети и спутники от их негативного воздействия. ЦМЭ, направленные в сторону Земли, могут вызывать геомагнитные бури, которые, в свою очередь, генерируют геомагнитно-индуцированные токи, приводя в самых экстремальных случаях к отключениям электроэнергии и т.п. В 2003 году ESA сообщила о выходе из строя шагового двигателя оси Y антенны, необходимого для наведения антенны с высоким коэффициентом усиления и обеспечения передачи данных с высокой скоростью. В то время предполагалось, что аномалия антенны может приводить к перерывам в передаче данных на две-три недели каждые три месяца. Однако инженерам ESA и NASA удалось использовать антенны SOHO с низким коэффициентом усиления совместно с более мощными наземными станциями NASA Deep Space Network и рациональным использованием твердотельного накопителя SOHO (SSR), чтобы предотвратить полную потерю данных, при этом поток данных лишь незначительно сокращался каждые три месяца.

Почти потеря SOHO

Последовательность событий, приведших к прерыванию миссии SOHO, началась 24 июня 1998 года, когда команда SOHO проводила серию калибровок и маневров гироскопов космического аппарата. Операции продолжались до 23:16 UTC, когда SOHO потерял ориентацию на Солнце и перешел в режим экстренного управления, называемый экстренным восстановлением ориентации на Солнце (ESR). Команда SOHO попыталась восстановить обсерваторию, но 25 июня 1998 года в 02:35 UTC SOHO снова перешел в аварийный режим. Усилия по восстановлению продолжались, но SOHO в последний раз перешел в аварийный режим в 04:38 UTC. В 04:43 UTC была потеряна вся связь с SOHO, и прерывание миссии началось. SOHO вращался, терял электроэнергию и больше не был направлен на Солнце. Эксперты Европейского космического агентства (ESA) были немедленно отправлены из Европы в Соединенные Штаты для управления операциями. Прошли дни без связи с SOHO. 23 июля 1998 года обсерватория Аресибо и радиолокационная станция Солнечной системы Голдстоун объединили усилия для обнаружения SOHO с помощью радара и определения его местоположения и ориентации. SOHO находился близко к расчетному положению, ориентированным боковой стороной, в то время как обычно передняя панель оптического отражателя была направлена на Солнце, и вращался с периодом один оборот каждые 53 секунды. После обнаружения SOHO были разработаны планы по восстановлению связи. 3 августа с SOHO был обнаружен несущий сигнал – первый сигнал с 25 июня 1998 года. После нескольких дней зарядки аккумулятора 8 августа была предпринята успешная попытка модулировать несущий сигнал и передать телеметрию. После получения данных о температуре приборов 9 августа 1998 года был проведен анализ данных, и началось серьезное планирование восстановления SOHO. Команда по восстановлению начала с распределения ограниченной электроэнергии. Затем была определена аномальная ориентация SOHO в пространстве. 12 августа 1998 года началось размораживание замерзшего бака с гидразином с использованием нагревателей теплового контроля SOHO. Затем были оттаяны трубопроводы и двигатели, и 16 сентября 1998 года SOHO был переориентирован на Солнце. После почти недели восстановления работоспособности космического аппарата и выполнения корректирующего маневра, 25 сентября 1998 года в 19:52 UTC автобус космического аппарата SOHO вернулся в нормальный режим. Восстановление работы приборов началось 5 октября 1998 года с SUMER и завершилось 24 октября 1998 года с CELIAS. Корональный диагностический спектрометр (CDS), измеряющий плотность, температуру и потоки в короне. Система анализа заряженных элементов и изотопов (CELIAS), изучающая ионный состав солнечного ветра. Комплексный анализатор сверхтермических и энергичных частиц (COSTEP), изучающий ионный и электронный состав солнечного ветра. COSTEP и ERNE иногда упоминаются вместе как COSTEP ERNE Particle Analyzer Collaboration (CEPAC). Экстремальный ультрафиолетовый телескоп (EIT), изучающий структуру и активность нижней короны. Эксперимент по изучению энергичных и релятивистских ядер и электронов (ERNE), изучающий ионный и электронный состав солнечного ветра. (См. примечание выше в разделе COSTEP.) Глобальные колебания на низких частотах (GOLF), измеряющие изменения скорости всего солнечного диска для изучения ядра Солнца. Большой угловой и спектрометрический коронограф (LASCO), изучающий структуру и эволюцию короны путем создания искусственного солнечного затмения. Микельсоновский допплеровский изобразитель (MDI), измеряющий скорость и магнитные поля в фотосфере для изучения конвективной зоны, образующей внешний слой недр Солнца, и магнитных полей, контролирующих структуру короны. MDI был крупнейшим производителем данных по SOHO. Два виртуальных канала SOHO названы в честь MDI: VC2 (MDI M) передает данные магнитограмм MDI, а VC3 (MDI H) – данные гелиосейсмологии MDI. MDI не использовался для научных наблюдений с 2011 года, когда его заменил гелиосейсмический и магнитный изобразитель Обсерватории солнечной динамики. Солнечный ультрафиолетовый измеритель излучения (SUMER), измеряющий потоки плазмы, температуру и плотность в короне. Solar Wind Anisotropies (SWAN), использующий телескопы, чувствительные к характерной длине волны водорода, для измерения массового потока солнечного ветра, картирования плотности гелиосферы и наблюдения за крупномасштабной структурой потоков солнечного ветра. Ультрафиолетовый коронограф-спектрометр (UVCS), измеряющий плотность и температуру в короне. Изменчивость солнечного инфракрасного излучения и гравитационных колебаний (VIRGO), измеряющая колебания и солнечную постоянную как всего солнечного диска, так и с низким разрешением, для изучения ядра Солнца.

The SOHO Mission Interruption sequence of events began on 24 June 1998, while the SOHO Team was conducting a series of spacecraft gyroscope calibrations and maneuvers. Operations proceeded until 23:16 UTC when SOHO lost lock on the Sun and entered an emergency attitude control mode called Emergency Sun Reacquisition (ESR). The SOHO Team attempted to recover the observatory, but SOHO entered the emergency mode again on 25 June 1998, at 02:35 UTC. Recovery efforts continued, but SOHO entered the emergency mode for the last time at 04:38 UTC. All contact with SOHO was lost at 04:43 UTC, and the mission interruption had begun. SOHO was spinning, losing electrical power, and no longer pointing at the Sun. Expert European Space Agency (ESA) personnel were immediately dispatched from Europe to the United States to direct operations. Days passed without contact from SOHO. On 23 July 1998, the Arecibo Observatory and Goldstone Solar System Radar combined to locate SOHO with radar and to determine its location and attitude. SOHO was close to its predicted position, oriented with its side versus the usual front Optical Surface Reflector panel pointing toward the Sun, and was rotating at one revolution every 53 seconds. Once SOHO was located, plans for contacting SOHO were formed. On 3 August, a carrier was detected from SOHO, the first signal since 25 June 1998. After days of charging the battery, a successful attempt was made to modulate the carrier and downlink telemetry on 8 August. After instrument temperatures were downlinked on 9 August 1998, data analysis was performed, and planning for the SOHO recovery began in earnest. The Recovery Team began by allocating the limited electrical power. After this, SOHO's anomalous orientation in space was determined. Thawing the frozen hydrazine fuel tank using SOHO's thermal control heaters began on 12 August 1998. Thawing pipes and the thrusters was next, and SOHO was re oriented towards the Sun on 16 September 1998. After nearly a week of spacecraft bus recovery activities and an orbital correction maneuver, the SOHO spacecraft bus returned to normal mode on 25 September 1998 at 19:52 UTC. Recovery of the instruments began on 5 October 1998 with SUMER, and ended on 24 October 1998, with CELIAS. Coronal Diagnostic Spectrometer (CDS ), which measures density, temperature and flows in the corona. Charge Element and Isotope Analysis System (CELIAS), which studies the ion composition of the solar wind. Comprehensive SupraThermal and Energetic Particle analyser collaboration (COSTEP ), which studies the ion and electron composition of the solar wind. COSTEP and ERNE are sometimes referred to together as the COSTEP ERNE Particle Analyzer Collaboration (CEPAC ). Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT), which studies the low coronal structure and activity. Energetic and Relativistic Nuclei and Electron experiment (ERNE ), which studies the ion and electron composition of the solar wind. (See note above in COSTEP entry.) Global Oscillations at Low Frequencies (GOLF), which measures velocity variations of the whole solar disk to explore the core of the Sun. Large Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO), which studies the structure and evolution of the corona by creating an artificial solar eclipse. Michelson Doppler Imager (MDI), which measures velocity and magnetic fields in the photosphere to learn about the convection zone which forms the outer layer of the interior of the Sun and about the magnetic fields which control the structure of the corona. The MDI was the biggest producer of data on SOHO. Two of SOHO's virtual channels are named for MDI; VC2 (MDI M) carries MDI magnetogram data, and VC3 (MDI H) carries MDI Helioseismology data. MDI has not been used for scientific observation since 2011 when it was superseded by the Solar Dynamics Observatory's Helioseismic and Magnetic Imager. Solar Ultraviolet Measurement of Emitted Radiation (SUMER), which measures plasma flows, temperature, and density in the corona. Solar Wind Anisotropies (SWAN), which uses telescopes sensitive to a characteristic wavelength of hydrogen to measure the solar wind mass flux, map the density of the heliosphere, and observe the large scale structure of the solar wind streams. UltraViolet Coronagraph Spectrometer (UVCS), which measures density and temperature in the corona. Variability of solar IRradiance and Gravity Oscillations (VIRGO), which measures oscillations and solar constant both of the whole solar disk and at low resolution, again exploring the core of the Sun.

Общественный доступ к изображениям

Наблюдения с некоторых приборов могут быть представлены в виде изображений, большинство из которых легко доступны в интернете для общего или исследовательского использования (см. официальный сайт). Другие данные, такие как спектры и измерения частиц в солнечном ветре, не так легко представить в виде изображений. Эти изображения охватывают диапазон длин волн или частот от оптического (Hα) до экстремального ультрафиолета (EUV). Изображения, полученные частично или полностью в невидимом диапазоне, представлены на странице SOHO и в других источниках в ложном цвете. В отличие от многих космических и наземных телескопов, программа SOHO не предусматривает формального выделения времени для выполнения наблюдательных программ по отдельным приборам; заинтересованные лица могут связаться с командами приборов по электронной почте и через веб-сайт SOHO, чтобы запросить время, используя внутренние процедуры этих команд (некоторые из которых могут быть достаточно неформальными, при условии, что текущие базовые наблюдения не будут прерваны). Существует формальная процедура (программа "JOP") для совместного использования нескольких инструментов SOHO в рамках одного наблюдения. Предложения в рамках программы JOP рассматриваются на ежеквартальных заседаниях Научной рабочей группы (SWT), а время для реализации проектов JOP выделяется на ежемесячных заседаниях Рабочей группы по научному планированию. Первые результаты были опубликованы в журнале Solar Physics, тома 170 и 175 (1997), под редакцией Б. Флека и З. Швестки.

Вкладчики инструментов

Институт Макса Планка по исследованию Солнечной системы участвовал в создании инструментов SUMER, Large Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) и CELIAS. Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO) построила инструмент UVCS. Лаборатория солнечной и астрофизической науки Lockheed Martin (LMSAL) построила инструмент MDI в сотрудничестве с солнечной группой Стэнфордского университета. Институт космической астрофизики является ведущей организацией для инструментов GOLF и Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT), а также вносит значительный вклад в инструмент SUMER. Полный список всех инструментов со ссылками на их основные институты доступен на веб-сайте SOHO.