[科普中国]-星际边界探测器卫星

发展背景

太阳系边界区域大致从终端激波开始，止于弓形激波，其中包括日鞘、太阳风顶层等，是太阳风和星际介质相互作用的区域，非常复杂。它使大多数的致命宇宙射线无法抵达地球和其他太阳系行星周围的空间，对于人类安全来说是至关重要的。到目前为止，人类对于这一区域的了解非常少，大多是通过间接观测、建模和旅行者-1、2 (Voyager-1、2)探测器的单点观测来实现，因此可以说，太阳系边界还未真正被全面探测。2

美国Voyager-1探测器经过27年多的太阳系之旅，于2004年12月16日在太阳系边界遭遇并穿越了终端激波，当时距离太阳94个天文单位，成为第1个探测到终端激波及其外部的日鞘的航天器。在穿越终端激波之前，Voyager-1观测到了它所能观测到的最低能量的高能粒子。基于Voyager-1对磁区和高能粒子的观测，以及人类对太阳风的了解，可以推断，在终端激波处太阳风的速度突然降低了。不过，由于Voyager-1上的等离子探测器早已失效，因此不能对太阳风速度的降低情况进行直接测量。Voyager-1的观测结果曾引发了热烈的科学争论，例如，关于激波的全球结构，它的时间历史及它是否（和怎样）使不规则的宇宙射线加速，进而催生了对星际相互作用的全球、全天空观测的需求。2

2007年8月30日，经过30多年的长途跋涉，Voyager-2探测器在距离太阳84个天文单位处对终端激波进行了直接观测，并第1次传回了太阳系边界的信息。它探测到了太阳系边界区域的能量和磁力，证实了太阳系被压扁的猜测。Voyager-2穿越了终端激波，进入了日鞘之中，但是无法了解太阳系边界的全球特性。

为了探究“混乱”而不可见的太阳系边界区域的全球结构，美国航空航天局在2005年1月，选择IBEX作为“小探索者任务”（SMEX)之一，以获得星际相互作用的全球图。相对于Voyager探测器的单点测量，IBEX的观测更全面，获得的数据也会与前者的数据互为补充，让人类更好地了解太阳系边界区域。2

卫星简介IBEX由美国西南研宄院研发，轨道科学公司作为子承包商，负责建造IBEX卫星和提供Pegasus-XL运载火箭，戈达德SMEX办公室承担IBEX项目的管理工作。

该天文卫星采用轨道科学公司的“微星”（MicroStar)平台，干质量为80kg，加注燃料后质量为107kg有效载荷质量为26kg卫星STAR-27固体火箭发动机（ATK公司）和相关硬件的总质量为462kg。卫星平台功率为66W，有效载荷功率为16W，太阳电池阵功率为116W。它装有2副天线下行链路数据率为320kbit/s上行链路数据率为2kbit/s，向“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS)传输数据的数据率为2kbit/s。2

IBEX装有高能和低能2台窄视场角探测器。高能(03~6keV)探测器包括4个子系统：准直仪用于剔除杂质离子和电子，瞄准中性原子；转换碳箔用于把中性原子转换成正离子；静电能量分析器用于选择能量通频带；符合器(Coincidence)用于确定转换离子类型，剔除噪声。低能(0.01~2keV)探测器也包括4个子系统：准直仪用于确定视场，瞄准中性原子，剔除杂质离子和电子；转换表面用于把高能中性原子转化成负离子，抑制电子；静电能量分析器用于选择能带，剔除质子；时间飞行质谱仪用于确定转换离子类型和抑制背景噪声。此外，星上还装有唯一的组合电子单元（CEU)。2

这颗卫星采用了经过飞行验证的高能 中性粒子成像技术和创新的任务设计，有效载荷和平台满足SMEX计划设定的系统参数要求，具有简单、灵活、可靠和低风险的特点。

主要性能参数IBEX采用轨道科学公司的“微星”(MicroStar)平台，卫星质量106kg，功率82W。采用自旋稳定对日定向，为避免被地球磁气圈产生的高能中性原子污染，IBEX工作在7000km/320000km的高地球轨道上，2011年6月近地点提升至43500km。设计任务寿命为2年，2011年任务完成后NASA宣布将其观测任务延长至2013年。1

IBEX的主要有效载荷包括高能和低能2台窄角成像敏感器。这2台敏感器的观测范围有部分重叠，用以在飞行中对数据进行相互校准，提高观测数据质量。1

科学目标IBEX的科学目标是揭示太阳系边界区域里太阳风和星际介质之间的全球相互作用，其中包括结构、动力学、高能粒子的加速，以及带电粒子在太阳系边界的传 播等特性。它主要回答以下4个基本科学问题：①终端激波的全球强度和结构；②在终端激波中，高能质子如何被加速③终端激波之外和日球尾（heliotail)里的太阳风全球特性；④在太阳风顶层之外，星际流与日球层相互作用的原理。2

IBEX会对从终端激波及其外部区域辐射到太阳系里的高能中性原子进行采样，实现对终端激波之外太阳系真正边界的第1次全球观测。它获得的全球高能中性原子能谱，可提供对终端激波之外的太阳风离子、新生质子和高能质子的直接测量；作为方向函数的能谱，可显示激波的三维结构和激波里离子的能量分布情况；所获能谱也可表明，高能粒子是怎样迫使终端激波发生改变的，以及什么类型的注入过程可能在那里起作用。根据其数据绘成的全球高能中性原子图像，能够辨别在终端激波外太阳风和星际介质相互作用的类型；根据图像中显示的不对称特性，能确定终端激波之外的粒子流结构。IBEX 还可以实现对穿过终端激波的星际中性氧原子的第1次直接测量，确定终端激波里的星际氧原子的运动速率、方向和温度，所获信息与未穿过终端激波的氦原子信息进行对比，从而提供与穿越终端激波相关的信息，以及远在太阳风顶层之外的星际相互作用信息。2

IBEX获得的数据将用于详细建模和深入了解太阳系边界的特性，因此对数据要进行3个层面的研究：

发现层面 研究IBEX的原始图像、能谱和流量信息，从而直接掌握星际相互作用的基本特性。

探索层面 把IBEX数据产品与简单的物理学计算、理论研宄、有限的二维、三维建模相结合，探索星际相互作用的潜在特性和演变。

理解层面 对IBEX获得的数据进行迭代分析，与逐渐精确的日球层的三维模型相结合，深入揭示星际相互作用的奥秘。

IBEX的观测时间安排在太阳周期内，而且Voyager已经利用穿越终端激波进行了单点观测，能为IBEX获得的全球图像提供有价值的背景。同时IBEX 项目也是对“宇宙背景探测者”（COBE，1989年11月18日发射）和“微波异向 探测器”[MAP，2001年6月30日发射，后更名为“威尔金森微波异向探测器” (WMAP)]项目的突破，能第1次形象地描述银河系中的太阳系边界，探测这一边界在太阳系历史里是如何演化的。IBEX 对太阳系边界的第1次“绘图”，迈出了人类对银河系边界探测的“第一步”。2

工作过程IBEX收集的高能中性原子，是由太阳风离子和星际中性粒子交换电荷而在终端激波外面形成并飞到日球层内部的。该卫星既绕地球飞行也自旋，在6个月的时间里，它利用高能和低能探测器收集来自天空不同区域的原子。卫星会记录每个原子的来自区域、进入探测器的时间、质量和能量大小，然后利用高能、低能探测器进一步分析、研究。2

就像电荷交换产生高能中性原子一 样，IBEX的2台探测器利用电荷交换 把这些高能中性原子还原为离子来研究和检测。在高能探测器里，高能中性原子通过超薄（约10nm)转换碳箔时转化成正离子；在低能探测器里，高能中性原子经过超平整类金刚石转换表面的反射后产生负离子。之后，高能中性原子产生的正负离子、剩余粒子和紫外线到达2台探测器的静电能量分析器，经过滤之后只剩下离子，它们分别到达符合器和时间飞行质谱仪，最终确定离子类型。2

数据传输与接收IBEX绕地球飞行一圈需要5 ~8天。在每圈轨道里，该卫星有一段时间处于地球磁气圈中，期间可以与地球通信，因为此时距离地球较近，所以不需要耗费很多能量来发送无线电信号IBEX 每分钟收集到的粒子很少，因此数据传输率也比较小。2

它的地面系统包括：杜勒斯的轨道科学公司任务控制中心、通用空间网地面站、圣安东尼奥的西南研究院和马萨诸塞的波士顿大学的IBEX科学运行中心。卫星数据的接收利用通用空间网，这样，不管该卫星与地球的相对位置如何，总有接收机能接收到卫星信号。IBEX科学运行中心负责评估任务数据，监测有效载荷的性能和分发IBEX数据产品。TDRSS会对STAR-27固体火箭发动机的点火进行实时监测，把相关信息传给地面站。2

总结IBEX能够提供第1幅太阳系边界区域的全球图像，揭示太阳风和星际介质相互作用的物理学特性。这一研究能实现美国航空航天局和国家研究委员会的计划需求，与天体物理学现象建立联系后，可对了解太阳系与银河系的关系起到重要作用。而且，通过对把大量银河系宇宙射线辐射阻挡在外的太阳系边界区域的研究，可提出载人探测可能要面对的严峻挑战。另外，IBEX利用专门的固体火箭发动机和内部推进系统到达最终的轨道位置，这一开创性的、相对廉价的发射模式，可作为未来把小型商业航天器送入高轨道的一种有益尝试。2