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NASA的球载日冕仪已准备好在新墨西哥州上空进行高空气球飞行

已有 1451 次阅读 2019-8-31 13:30 |个人分类:浮空器|系统分类:海外观察| 高空气球, NASA, 日冕仪

NASA和韩国天文学和空间科学研究所(KASI)正准备测试一种新的方法来观察太阳,它位于新墨西哥沙漠的上空。

一个大到可以装下一个足球场的气球计划在2019年8月26日左右起飞,气球下面装有一个名为Bitse的太阳望远镜。Bitse是一种日冕仪,它是一种望远镜,用来阻挡太阳明亮的表面,以揭示其较暗的大气层,称为日冕。作为对日冕中电子的温度和速度进行观测的球载日冕仪的简称,BITSE试图解释太阳风暴是如何形成的。

太阳风暴是一股带电粒子流,不断地从太阳的外层大气中吹出来,冲刷整个太阳系。虽然科学家通常知道它在哪里形成,但它究竟是如何形成的仍然是个谜。但是,解开太阳风暴成因本质是预测太阳喷发过程的关键。太阳风暴有点像水的滑动:它的流动决定了太阳风暴是如何通过太空的。有时,风暴会撞击地球磁场,引发干扰卫星和无线电或GPS等日常通信系统的干扰。

NASA和KASI合作,展示了一种研究太阳风暴的新方法。当标准的日冕仪捕捉到日冕的密度时,BITSE还测量了太阳风中电子的温度和速度,以帮助理解将它们加速到每小时100万英里的强大力量。BITSE的气球飞行是测试和开发该仪器的关键一步,它将帮助科学家和工程师团队为未来的太空飞行改进他们的技术。

“这是一个能够测量这三种性质的日冕仪,你需要了解太阳风暴是如何形成和加速的,”位于马里兰州绿地的美国宇航局戈达德航天飞行中心的BITSE首席研究员Nat Gopalswamy说。通过改进日冕仪,BITSE进一步加深了我们对日冕本身的理解,即充满地球周围空间的太阳物质背后的驱动力,最终提高了我们预测太空天气的能力。

NASA和KASI的BITSE将从位于新墨西哥州萨姆纳堡的NASA哥伦比亚科学气球基地飞到大气层边缘。BITSE试图解释太阳是如何吐出太阳风暴的。


飞到大气层边缘

发射前,在凌晨时分,来自NASA哥伦比亚科学气球基地位于新墨西哥州萨姆纳堡的现场的技术人员将为气球的飞行做好准备,并将部分氦填充在大的塑料囊体中。气球是由聚乙烯制成的,和杂货袋的材料一样,它的厚度和塑料三明治袋差不多,但强度要大得多。当气球上升到高空,气压下降时,气球中的气体膨胀,膨胀。

BITSE将蜿蜒向上走到离地面35km的地方。在那里,它会平飞,拍摄太阳炽热的大气层。到今天为止,它将收集多达64GB的数据——相当于40部长电影。

BITSE的天空之旅始于日食。日冕仪的工作原理是模仿日食;就像月球一样,一个叫做“掩星”的金属盘阻挡了太阳,将日冕带到了聚光灯下。2017年8月21日,日全食、戈帕尔斯瓦米和他的团队在俄勒冈州的马德拉斯测试了仪器的关键部件。他们总共只花了两分钟的时间拍摄了50张照片,并展示了利用仪器特殊技术的挑战和优势。

现在,研究小组不再局限于在月球阴影下匆忙进行的研究。气球将把他们的仪器带到大气层边缘,在那里它将飞行至少六个小时。气球为进入这个区域提供了一种低成本的方式,允许科学家进行测量,并进行他们不能从地面进行的测试。在那里,BITSE可以用比地面更少的背景光收集图像,后者会干扰扰了对暗日冕的观测。

一种新型日冕仪

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研究小组成员纳尔逊·雷金纳德在NASA位于马里兰州绿带的戈达德航天飞行中心的实验室里检查了该仪器。BITSE是球载日冕仪的简称,它是一种用来阻挡太阳明亮的表面,以揭示其较暗的大气层的特殊望远镜。

BITSE结合了几种重要的技术。首先,仪器有一个独立的分光机构。然后,有一个特殊的照相机,可以捕捉到特定方向的偏振光波。科学家们用这些照片来绘制电子密度,或者在日冕中有多少电子以及在哪里。

典型的日冕仪使用一个轮子,它通过偏振器滤光片循环,每个滤光片都指向不同的角度,并结合图像得到偏振光。BITSE的偏振摄像机逐像素分析观测结果,通过减少运动部件的数量,使过程更加可靠。

“我们把整个微偏光片粘在摄像机探测器上,所以我们不需要偏振轮,”戈达德公司的BITSE首席光学工程师龚乾(音译)说。

BITSE还有一个滤光轮,它可以阻挡除四种特定波长以外的所有电晕光。这些不同波长的比值为科学家提供了日冕测量中电子的温度和速度,即使在日食期间,他们也无法从地面获得这些数据。科学家们希望通过将焦点集中在先前未被观测到的日冕层上,这是太阳风暴形成的关键,从而收集到有关日冕起源的新线索。未来某一天,BITSE的改进版本将可以从太空进行测量,将观测时间从几个小时延长到几个月。

BITSE将在离地面35km以上的地方,在鸟类、飞机、天气和蓝天之上漂浮。龚说,海拔高度带来了独特的挑战。某些设计元素是气球飞行特有的,比如BITSE的温度敏感光学器件。机载加热系统将确保BITSE在上升过程中不会太冷。甚至他们在偏振滤光片上使用的胶水都经过精心挑选,既能提供良好的粘合剂,又能承受预期的温度。她解释说,由于每个像素的宽度为7.5微米,而人类头发的平均直径只有75微米,因此寒冷的上层大气可能会影响他们的数据。

在如此高的海拔高度,天空变得更暗;在大气层很薄的地方,很少有空气粒子散射光。与地面相比,这些条件对于日冕仪来说是更好的。不过,大气层的边缘比空间更亮。

戈达德的太阳科学家杰夫·纽马克说:“天空的亮度从根本上限制了我们所能看到的,并推动我们进入下一步的需要:太空观测。”Gopalswamy和Newmark一起带领团队将BITSE送上天空,距离太空更近一步,那里没有干扰的背景光。

作为一个真正的合作任务,BITSE拥有来自NASA和KASI的广泛贡献。NASA提供了主要的光学、机械、指向、通信和吊舱组件,以及任务的全面管理和启动,而KASI提供了过滤轮、仪器计算机和照相机系统,以及其他贡献。

崇高的目标

在BITSE飞行结束时,萨姆纳堡现场的技术人员将结束终止命令,启动分离仪器和气球的程序,打开仪器的降落伞,气球将上升破裂。一架在上空盘旋的飞机将监视气球的最后时刻,并传递BITSE的位置。几个小时后,日冕仪将从它开始的地方降落到地面。工作人员将开车进入沙漠,在一天结束时回收气球和吊舱。

BITSE的飞行数据将有助于科学家用来预测太空天气的模型。但该小组将寻找飞行来验证BITSE的设计和临近空间环境的性能。从他们对2017年8月日食的实地观察到今年的气球飞行,最后是航天飞行,这个团队继续将目光放得更高。

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