探索太阳高能粒子起源的实验

编者按：UVSC探路者计划于2021年12月5日发布。2021年10月25日发布的原始故事如下。

美国国家航空航天局-美国海军研究实验室的一项联合实验已准备就绪，该实验致力于研究太阳高能粒子的起源——太阳最危险的辐射形式。

UVSC探路者——紫外线光谱日冕探路者的缩写——将搭乘STPSat-6前往太空，这是国防部太空测试计划-3（STP-3）任务的主要航天器。STP-3计划最早于11月22日在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地搭载联合发射联盟阿特拉斯V 551火箭升空。

太阳高能粒子是一种对太空探索构成重大挑战的太空天气。当太阳以如此高的速度向太空发射高能粒子，其中一些粒子在不到一小时的时间内到达9300万英里外的地球时，就会发生太阳粒子风暴或SEP事件。强大的粒子流会对航天器造成严重破坏，并使宇航员暴露在危险的辐射中。

UVSC探路者将在太阳外层大气或日冕的最低区域进行观测，SEP被认为起源于此。虽然太阳在最活跃的时候几乎每天都会爆发，但在任何一个11年的太阳周期中，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其中哪一种会产生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。

“这是一个探路者，因为我们正在展示新技术和新方法来预测这种类型的太空天气，”华盛顿特区美国海军研究实验室的天体物理学家、该任务的首席研究员Leonard Strachan说。“目前，还没有真正的方法来预测这些粒子风暴何时会发生。”

太阳爆发的特写，包括太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳高能粒子事件。了解和预测SEP的UVSC探路者是一种日冕仪，一种阻挡太阳明亮表面以揭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罩的光圈，可以阻挡太阳并减少杂散光。UVSC探路者的新颖之处在于，它使用了五个独立的孔径，每个孔径都有自己的掩星器，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，最终成为太阳能粒子。不仅仅是太阳大气中的任何规则粒子都可以被激发成SEP。相反，科学家们认为SEP来自居住在日冕中的成群种子粒子，它们的温度和能量已经是邻居的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。

激发种子粒子需要一些先前的高能太阳活动。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冲击，就像海浪在高速行驶的船只前部达到顶峰一样。Strachan解释道：“如果日冕物质抛射的速度足够快，至少每秒600英里，它就会产生冲击，将这些粒子扫走。”“粒子从冲击中获得了如此多的能量，它们变成了SEP。”

UVSC探路者是一种光谱日冕仪，它是一种阻挡太阳明亮表面以揭示周围较暗日冕的仪器。此处显示的是在NRL进行热真空测试后进行的检查。

与大多数在可见光下拍摄图像的日冕仪不同，UVSC Pathfinder是独一无二的，因为它与测量紫外线的光谱仪相结合，紫外线是一种人眼看不见的光。通过分析日冕中的光，研究人员希望确定何时存在种子颗粒。

科学家们经常从近地的角度观察SEP——距离它们的起源9300万英里。由于种子颗粒只存在于日冕中，因此无法直接测量它们。UVSC探路者旨在通过在紫外线中遥感这些难以捉摸的粒子的特征来观察它们。“我们对它们知之甚少，”美国海军研究实验室物理学家、UVSC探路者科学负责人马丁•拉明说。“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，它们可能会损坏电子设备，破坏卫星的计算机程序，损坏太阳能电池板，甚至使用于导航的航天器的恒星跟踪器迷失方向。这种效果就像在暴风雪中行驶而迷路：SEP占据了恒星跟踪器的视野，失去了自我定位的能力，它偏离了轨道。

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，在那里它们可以损伤细胞或DNA。这种损伤会增加日后患癌症的风险，或者在极端情况下，在短期内导致急性放射病。（在地球上，我们星球的保护性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，太阳活动和辐射构成了威胁。

UVSC探路者实验标志着朝着了解SEP的来源以及它们在太阳系中如何进化迈出了重要一步。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。天气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，种子粒子将是辐射风暴的一个非常重要的标志，需要注意。”

来自美国国家航空航天局STEREO卫星的图像显示，日冕物质抛射之后是一系列太阳高能粒子。加入美国国家航空航天局的太阳物理学舰队UVSC探路者是美国国家航空宇航局太阳物理学天文台舰队的最新成员。美国国家航空航天局的太阳物理学任务研究了一个从太阳到地球和其他行星周围的空间，以及到太阳不断流动的太阳风最远极限的庞大、相互连接的系统。UVSC Pathfinder提供SEP的关键信息，为未来的太空探索提供支持。

该任务的观测结果将补充另外两个太阳观测站的观测结果。新冠病毒图将距离太阳865000英里，而美国国家航空航天局的帕克太阳探测器、欧洲航天局和美国国家航空宇航局的太阳轨道飞行器将分别直接对距离太阳380万英里和2670万英里的太空进行采样。Strachan说：“我们希望协调观测将有助于确定SEP离开太阳时的演变。”

美国国家航空航天局太阳物理部门的首席技术专家Daniel Moses说：“美国国家航空宇航局的科学计划在从纯粹的研究任务中获得预测性太空天气工具方面有着悠久的历史。”“美国国家航空航天局科学任务局、海军研究实验室和国防部STP项目在这一领域的合作尤其富有成效。UVSC Pathfinder延续了这一引以为傲的基础研究合作传统，有可能开发出一种具有预测能力的新的高影响力工具。”

UVSC探路者是美国国家航空航天局和美国海军研究实验室搭载在国防部太空测试计划卫星6（STPSat-6）上的有效载荷。它与美国国家航空航天局的激光通信中继演示（LCRD）一起飞行，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，从而使太空任务能够将更多数据发送回家。

UVSC探路者号是在美国海军研究实验室设计和建造的。它是由美国国家航空航天局的太阳物理计划和海军研究办公室资助的。它由美国国家航空航天局总部的太阳物理技术和仪器科学开发项目办公室（H-TIDeS）管理。STP由美国太空军太空系统司令部运营。