Как исследования исследований в области плазменных исследований Voyager научат нас о солнечных ветрах
В этой статье рассматриваются эксперименты по плазменной науке Voyager. Мы также получили несколько слов с доктором Джоном Д. Ричардсоном, главным исследователем, который в настоящее время изучает данные с космических аппаратов Voyager.
Поскольку доступная мощность космического корабля «Вояджер» продолжает сокращаться, многие из экспериментов были отключены. Но два космических корабля по-прежнему возвращают полезные данные о солнечной системе и межзвездной среде.
AAC продолжает праздновать разработку космических аппаратов Voyager, которая позволила 40-летнему непрерывному открытию этой статьи на экспериментах по плазменной науке. В этой статье координатор серии Марк Хьюз рассказывает нам о плазменных экспериментах и дает нам интервью с доктором Дж. Д. Ричардсоном, главным исследователем плазменных научных экспериментов.
Наши другие статьи о миссиях «Вояджер» доступны здесь:
- Введение
- RTG (радиоизотопный термоэлектрический генератор)
- Связь на большие расстояния
- Компьютеры управления, данных и управления положением
- Камеры, поляриметры и магнитометры
- Инфракрасный интерферометр, спектрометр, радиоастрономия
Плазменный эксперимент
Облака ионизованных газов, называемые плазмой, движутся наружу от Солнца во всех направлениях по всей Солнечной системе с узором, определяемым скоростью вращения Солнца, радиальной скоростью газов и рядом других факторов. (Продвинутые читатели могут найти полный учет влияний, прочитав внеземную физику Робертом Ф. Виммером-Швединрубом.)
Иногда турбулентные процессы на солнце создают дополнительный выброс корональной массы, который посылает импульс ионизированных газов в определенном направлении. Когда газы продвигаются дальше от солнца, они распространяются и замедляются. Эти выходящие извне газы часто называют солнечным ветром.
Гелиосферная модель выброса межпланетной корональной массы из CCMC
Космический корабль «Вояджер» имеет приборы, позволяющие им обнаруживать скорость, плотность, температуру, поток и давление солнечных ветров, когда они путешествовали по дальним краям солнечной системы в течение последних четырех десятилетий. Они теперь находятся в области пространства, называемой «ударом прекращения», когда газы с Солнца уже не всегда движутся наружу, но отливаются и течет, когда они смешиваются с другими межзвездными газами.
Сначала ионизированные газы изначально расширялись и замедлялись, уменьшая плотность и температуру, но теперь они смешиваются с турбулентностью с газами других звезд и подвергаются сжатию и нагреву. Эта граница в пространстве характеризуется резким повышением температуры и изменением фазы плазмы. В декабре 2004 года Voyager 1 пересек шок на расстоянии 94 AU, а Voyager 2 преодолел шок на расстоянии 84 AU в августе 2007 года.
Нажмите, чтобы увеличить изображение (через NASA), где показано местоположение космического корабля Voyager в гелиосфере
Плазменный детектор Фарадея
Облака ионизованных газов от солнца и других звезд плавают по всей Солнечной системе. Космический корабль «Вояджер» имеет два детектора плазмы Фарадея, используемые для обнаружения этих заряженных частиц.
Один детектор направлен на Землю, а другой вращается под прямым углом к первому. Когда заряженные частицы входят в детектор, изменение чистого заряда пропорционально числу ионов, которые ударяют по детектору. Измерение электрического тока, которое течет по мере движения заряда между внутренним и внешним телами детектора, дает данные, которые ученые могут использовать для определения зарядов в диапазоне от 10 эВ до 6000 эВ.
Изображение фарадеевского плазменного детектора
Заявленными целями плазменного эксперимента являются:
- Определение свойств солнечного ветра, включая изменения свойств с увеличением расстояния от Солнца
- Изучение магнитосфер, которые сами по себе свойственны планетам, и которые сражаются с планетами, не зависящими от активности солнечного ветра
- Изучение спутников
- Обнаружение и измерение межзвездных ионов
Из Voyager Backgrounder:
«Детектор направленности Земли использует новое геометрическое расположение, которое делает его эквивалентным трех фарадеевских чаш и определяет микроскопические свойства ионов плазмы. С помощью этого детектора можно определить точные значения скорости, плотности и давления для плазмы Земли (1 AU) до Сатурна (10 AU). Два последовательных сканирования энергии используются, чтобы позволить прибору охватить широкий диапазон энергий - от 10 электрон-вольт (эВ) до 6000 электрон-вольт (6 кэВ) ».
«Другая чаша Фарадея, боковой или боковой детектор, измеряет электроны в диапазоне 10 электрон-вольт до 6 кэв и должна улучшить пространственное покрытие для любых дрейфующих или вращающихся положительных ионов во время планетарных столкновений.
Инструмент был разработан в основном для изучения магнитосфер планет. Он способен обнаруживать горячую дозвуковую плазму, например, наблюдаемую в магнитосфере Земли, и ожидается от ионов, происходящих в кольце МакДоноу-Брайс Ио. Большая угловая фиксация прибора позволяет обнаруживать течения плазмы далеко от направления Солнца, такие как потоки плазмы, которые сражаются с планетой ».
Плазменный эксперимент весит 9, 9 кг (21, 8 фунта) и потребляет 8, 3 Вт мощности.
Плазменная волновая система
В эксперименте с плазменной волной используются две антенны для определения взаимодействия волновых частиц заряженных частиц вблизи планет и в межпланетной среде. Когда антенны движутся через облака заряженных частиц, они обнаруживают изменяющиеся электрические поля.
Антенны подключены к предустановленному предусилителю (усиление x0 или x0.01), а затем подаются на дифференциальный усилитель. Композитный сигнал подается через режекторный фильтр 2, 4 кГц и 7, 2 кГц для уменьшения 1-й и 3-й гармоник космического корабля от источника питания.
Эксперимент PWS был поздним дополнением к космическому аппарату и заставлял ученых плазмы использовать антенны, которые были частью эксперимента Планетарной радиологии.
Диаграмма плазменной волны Voyager из Университета Айовы
Из Voyager Backgrounder:
«Научными целями эксперимента в плазменной волне являются измерения профилей плотности тепловой плазмы на Юпитере и Сатурне, исследования взаимодействия волновых частиц и изучение взаимодействия спутников Юпитера и Сатурна с магнитосферами их планет».
Несколько слов с доктором Джоном Ричардсоном
Массачусетский технологический институт профессор Джон Ричардсон является главным исследователем плазменных полевых экспериментов и анализирует данные, которые активно возвращаются из Voyager. Он предоставил AAC несколько комментариев о эксперименте, который все еще работает.
Когда его спросили о самой интересной части исследования «Вояджер», д-р Ричардсон ответил: «Вояджер был источником волнения на протяжении последних 40 лет. Основные моменты - открытие вулканов на Ио, единственных летучих мышей Урана и Нептуна, которые имеют сильно наклоненные магнитные поля, первое пересечение торсионного шок и гелиопауза, показывающее размер нашей гелиосферы, и первые измерения межзвездной среды, которая окружает или гелиосферу ».
Изображение космического корабля «Вояджер» на межзвездной границе. Изображение предоставлено NASA
«Мы изучаем, что гелиосфера не симметрична. За пределами шок прекращения движения, наблюдаемые Вояджером 1 к северу от экватора и Вояджером 2 к югу от экватора, сильно различаются. Солнечный ветер все еще имеет большое влияние даже в межзвездном В импульсах давления, наблюдаемых в Voyager 2 в гелиосфере, возникают удары, когда они сталкиваются с гелиопаузой, которые затем распространяются в межзвездную среду, где они наблюдаются Voyager 1."