مسبار رسم الخرائط بين النجوم وتسارعها

مسبار رسم الخرائط بين النجوم وتسارعها

مفهوم فني لتصوير IMAP للحدود الهيليوسفيرية.
الأسماء	بروتوكول IMAP
نوع المهمة	أبحاث الغلاف الشمسي
المشغل	مختبر الفيزياء التطبيقية
موقع إلكتروني	https://imap.princeton.edu/
مدة المهمة	3 سنوات (مخطط لها) [1]
خصائص المركبة الفضائية
الشركة المصنعة	مختبر الفيزياء التطبيقية
بداية المهمة
تاريخ الإطلاق	29 أبريل 2025 (مخطط) [2]
صاروخ	فالكون 9 بلوك 5 [3]
موقع الإطلاق	CCSFS ، LC-40
مقاول	سبيس اكس
المعلمات المدارية
نظام مرجعي	مدار مركز الشمس
النظام	مدار الهالة ( L1 )
الآلات الموسيقية
10 آلات موسيقية
برنامج المسبارات الشمسية الأرضية

مسبار رسم الخرائط والتسارع بين النجوم (IMAP) هو مهمة فيزياء شمسية ستبحث في وقت واحد موضوعين علميين مهمين ومترابطين في الغلاف الشمسي : تسارع الجسيمات النشطة وتفاعل الرياح الشمسية مع الوسط بين النجوم المحلي . يرتبط هذان الموضوعان العلميان لأن الجسيمات المتسارعة في الغلاف الشمسي الداخلي تلعب أدوارًا حاسمة في تفاعل الغلاف الشمسي الخارجي. في عام 2018، اختارت وكالة ناسا فريقًا بقيادة ديفيد جيه ماكوماس من جامعة برينستون لتنفيذ المهمة، ^[4] والتي من المقرر حاليًا إطلاقها في 29 أبريل 2025. ^[2] سيكون IMAP قمرًا صناعيًا مستقرًا لتتبع الشمس في مدار حول نقطة لاغرانج L1 بين الشمس والأرض مع حمولة علمية مكونة من عشر أدوات. كما سيبث IMAP باستمرار بيانات في الوقت الفعلي في الموقع يمكن استخدامها للتنبؤ بالطقس الفضائي .

وهي المهمة الخامسة التي تم اختيارها في برنامج المسبارات الشمسية الأرضية ، بعد TIMED و Hinode و STEREO و MMS . ^[4]

إن تسارع الجسيمات المشحونة حتى طاقة عالية أمر شائع في جميع أنحاء الكون، ويحدث في النجوم ، والمجالات المغناطيسية ، والثقوب السوداء ، والنجوم النيوترونية ، وبقايا المستعرات الأعظمية ، وغيرها من المواقع. والعمليات الدقيقة وراء هذا التسارع ليست مفهومة جيدًا. هناك جسيمات فوق حرارية وسيطة لها طاقات بين الجسيمات النشطة والبلازما الحرارية الكلية . إن فهم كيفية تنشيط هذه الجسيمات وتكوين مجموعة البذور للجسيمات النشطة هو أحد الموضوعات العلمية التي سيبحثها IMAP.

لقد نفخت الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي المرتبط بها فقاعة في الفضاء بين النجوم تسمى الغلاف الشمسي . سوف يدرس IMAP حدود الغلاف الشمسي حيث تصطدم الرياح الشمسية بالمواد من بقية المجرة . باستخدام الذرات المحايدة النشطة (ENAs)، سوف يصور IMAP منطقة التفاعل هذه من النظام الشمسي الداخلي . بالإضافة إلى ذلك، سوف يقيس IMAP أيضًا الجسيمات المحايدة للوسط بين النجوم بشكل مباشر، لأنها تتدفق عبر الغلاف الشمسي دون تعديل نسبيًا.

تعتمد أهداف العلوم الخاصة ببرنامج IMAP على الأهداف العلمية الأربعة المحددة في إعلان الفرصة الخاص ببرنامج IMAP (من الخارج إلى الداخل): ^[5]

• تحسين فهم تكوين وخصائص الوسط النجمي المحلي (LISM).
• تعزيز فهم التطور الزمني والمكاني لمنطقة الحدود التي تتفاعل فيها الرياح الشمسية والوسط بين النجوم.
• تحديد وتعزيز فهم العمليات المرتبطة بتفاعلات المجال المغناطيسي للشمس وLISM.
• تحديد وتعزيز فهم عمليات حقن الجسيمات وتسريعها بالقرب من الشمس، في الغلاف الشمسي والغلاف الشمسي.

بعد الإطلاق، ستستغرق المركبة الفضائية عدة أشهر للانتقال إلى مسافة 1,500,000 كم (930,000 ميل) بعيدًا عن الأرض باتجاه الشمس عند ما يسمى بنقطة لاغرانج الأولى (L1). ستستخدم المركبة الفضائية بعد ذلك الدفع الموجود على متنها للدخول في مدار ليساجوس بزاوية 10 درجات × 5 درجات تقريبًا حول L1، وهو ما يشبه إلى حد كبير مدار مستكشف التكوين المتقدم (ACE). تبلغ مدة المهمة الأساسية 3 سنوات، ولكن جميع المواد القابلة للاستهلاك مصممة لعمر يزيد عن 5 سنوات. ^[6]

IMAP هي مركبة فضائية بسيطة مستقرة الدوران (حوالي 4 دورة في الدقيقة ) مزودة بعشرة أجهزة. سيتم استخدام مناورات الموقف اليومية للحفاظ على محور الدوران والسطح العلوي (مع المصفوفات الشمسية) موجهين في اتجاه الرياح الشمسية القادمة، والتي تبعد بضع درجات عن الشمس. في مدار L1 Lissajous ، يشير السطح الخلفي، بهوائي الاتصالات الخاص به، تقريبًا إلى الأرض. ^[6]

يمكن تقسيم الأجهزة العشرة الموجودة على IMAP إلى ثلاث فئات: 1) أجهزة كشف الذرات المحايدة النشطة (IMAP-Lo، وIMAP-Hi، وIMAP-Ultra)؛ 2) أجهزة كشف الجسيمات المشحونة (SWAPI، وSWE، وCoDICE، وHIT)؛ و3) قياسات منسقة أخرى (MAG، وIDEX، وGLOWS).

تظهر هنا (اللوحة العلوية) تدفقات الأكسجين المقاسة عند 1 وحدة فلكية بواسطة العديد من الأدوات الموجودة على متن مستكشف التكوين المتقدم (ACE) خلال فترة 3 سنوات، مع أطياف الجسيمات التمثيلية التي تم الحصول عليها للجسيمات الشمسية النشطة التدريجية والاندفاعية (SEPs)، ومناطق التفاعل الدوراني (CIRs)، والأشعة الكونية الشاذة (ACRs)، والأشعة الكونية المجرية (GCRs)، و(اللوحة العلوية المدرجة) تدفقات الأيونات في اتجاه فوييجر 1 باستخدام الملاحظات في الموقع من فوييجر وملاحظات ENA عن بعد من كاسيني-هويجنز ومستكشف الحدود بين النجوم (IBEX). (اللوحة الوسطى) توفر SWAPI وCoDICE وHIT توزيعات شاملة للتركيب والطاقة والزاوية لجميع أنواع الرياح الشمسية الرئيسية (اللب والهالة) وأيونات التقاط المصدر بين النجوم والداخلية والأيونات فوق الحرارية والطاقة والمتسارعة من SEPs والصدمات بين الكواكب بالإضافة إلى ACRs. توفر SWE وCoDICE وHIT أيضًا توزيعات الطاقة والزاوية لأيونات الرياح الشمسية ونواة الإلكترون والهالة والسترال بالإضافة إلى الإلكترونات النشطة والنسبية حتى 1 ميجا إلكترون فولت. ^[6]

IMAP-Lo هو جهاز تصوير ذرات محايدة أحادي البكسل يوفر قياسات الطاقة والزاوية لذرات ISN ( H و He و O وNe ​​وD) التي يتم تتبعها على مدى >180 درجة في خط الطول الكسوف وخرائط عالمية محددة الطاقة لـ ENA H وO. يتمتع IMAP-Lo بتراث من IBEX-Lo على IBEX ولكنه يوفر قوة جمع أكبر بكثير. ^[6]

يتألف جهاز IMAP-Hi من جهازي تصوير ENA متطابقين، أحاديي البكسل، عاليي الطاقة، يقيسان الهيدروجين والهليوم والأجسام المضادة الأثقل من الغلاف الشمسي الخارجي . كل جهاز تصوير IMAP-Hi مشابه جدًا في التصميم لجهاز تصوير IBEX -Hi ENA، لكنه يتضمن تعديلات رئيسية تمكن من تحسين الدقة بشكل كبير، والنطاق الطيفي، وقوة التجميع. يشتمل الجهاز أيضًا على نظام وقت الرحلة (TOF) لتحديد أنواع الأجسام المضادة الأثقل. ^[6]

تصور أداة IMAP-Ultra انبعاث ENAs المنتجة في الغلاف الشمسي وما بعده، بشكل أساسي في ذرات الهيدروجين بين ~3 و300 كيلو إلكترون فولت، لكنها حساسة أيضًا للمساهمات من الهيليوم والأكسجين. Ultra مطابق تقريبًا لجهاز تصوير Jupiter Energetic Neutral Imager (JENI)، قيد التطوير للطيران في مهمة Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية إلى المشتري وجانيميد . تتمثل الاختلافات الأساسية بين Ultra و JENI في استخدام نسختين متطابقتين، واحدة مثبتة بشكل عمودي على محور دوران IMAP (Ultra90) وواحدة مثبتة بزاوية 45 درجة من محور الدوران المضاد للشمس (Ultra45) لتغطية أفضل للسماء، واستخدام رقائق ترشيح الأشعة فوق البنفسجية أكثر سمكًا قليلاً تغطي MCPs في المستوى الخلفي لتقليل الخلفيات المرتبطة بفوتونات Lyman-α بين النجوم. ^[6]

تقيس أداة الرياح الشمسية وأيونات التقاط (SWAPI) الرياح الشمسية H ⁺ وHe ⁺⁺ وأيونات التقاط (PUIs) بين النجوم He ⁺ وH ^{+ . SWAPI متطابق تقريبًا مع أداة الرياح الشمسية حول بلوتو (SWAP)} من New Horizons . SWAPI هو تبسيط لـ SWAP، ومن خلال إزالة محلل الجهد المؤخر لـ SWAP، يزيد بشكل كبير من النقل ويحسن الحساسية، مما يعزز بشكل أكبر ملاحظات PUI. ^[6]

تقيس أداة Solar Wind Electron (SWE) التوزيع ثلاثي الأبعاد للإلكترونات الحرارية والفوق حرارية للرياح الشمسية من 1 إلكترون فولت إلى 5 كيلو فولت. تعتمد SWE على أدوات Ulysses / SWOOPS و ACE / SWEPAM و Genesis / GEM القديمة، مع إلكترونيات محدثة تعتمد على Van Allen Probes / HOPE. تم تحسين SWE لقياس إلكترونات الرياح الشمسية في الموقع عند L1 لتوفير سياق لقياسات ENA وإجراء ملاحظات الرياح الشمسية في الموقع اللازمة لفهم الهياكل المحلية التي يمكن أن تؤثر على التسارع والنقل. ^[6]

تقيس تجربة تكوين الأيون المزدوج المضغوط (CoDICE) الجسيمات المشحونة في نطاقين منفصلين للطاقة في جهاز مدمج مضغوط. CoDICELo هو محلل كهروستاتيكي بنظام فرعي لزمن الرحلة مقابل الطاقة (TOF/E) لقياس وظائف توزيع السرعة ثلاثية الأبعاد (VDFs) وحالة الشحنة الأيونية وتركيبة الكتلة لأيونات ~0.5–80 keV/q. يستخدم CoDICEHi نظام فرعي TOF/E الشائع لقياس تركيب الكتلة واتجاه الوصول لأيونات ~0.03–5 MeV/nuc وإلكترونات ~20–600 keV. ^[6]

يستخدم تلسكوب الأيونات عالي الطاقة (HIT) أجهزة كشف الحالة الصلبة المصنوعة من السيليكون لقياس التركيب العنصري وأطياف الطاقة والتوزيعات الزاوية وأوقات وصول أيونات الهيدروجين إلى النيكل على مدى نطاق طاقة يعتمد على النوع من ~2 إلى ~40 ميجا إلكترون فولت/نواة. يوفر تلسكوب الأيونات عالي الطاقة (HIT)، الذي يعتمد بشكل كبير على تلسكوب الطاقة المنخفضة (LET) الموجود على مرصد العلاقات الشمسية الأرضية (STEREO) ، تغطية كاملة للسماء بعامل هندسة كبير. كما تم تحسين جزء من منطقة عرض تلسكوب الأيونات عالي الطاقة لقياس إلكترونات 0.5 - 1.0 ميجا إلكترون فولت. ^[6]

يتكون مقياس المغناطيسية IMAP (MAG) من زوج من مقاييس المغناطيسية ذات البوابة التدفقية الثلاثية المحاور المتطابقة التي تقيس المجال المغناطيسي بين الكواكب ثلاثي الأبعاد. يتم تثبيت كلا المقياسين المغناطيسيين على ذراع يبلغ طوله 1.8 متر، أحدهما في النهاية والآخر في وضع وسيط. يقلل هذا التكوين، من خلال قياس التدرج، من تأثير المجالات المغناطيسية للمركبة الفضائية على قياسات الجهاز عن طريق إزالة مجال المركبة الفضائية ديناميكيًا. يعتمد مقياس المغناطيسية MAG على مقاييس المغناطيسية متعددة المقاييس للمهام المغناطيسية . ^[6]

تجربة الغبار بين النجوم (IDEX) هي أداة تحليل غبار عالية الدقة توفر التركيب العنصري وسرعة وتوزيع كتلة جزيئات الغبار بين النجوم . يحتوي رأس المستشعر IDEX على منطقة هدف فعالة كبيرة (700 سم ²  [110 بوصة مربعة])، مما يسمح له بجمع عدد كبير إحصائيًا من اصطدامات الغبار (> 100 / سنة). ^[6] تم بناء هذا الجهاز في مختبر الفيزياء الجوية والفضائية (LASP) في جامعة كولورادو بولدر . ^[7]

إن بنية الرياح الشمسية العالمية (GLOWS) عبارة عن مقياس ضوئي أحادي البكسل غير تصويري من نوع Lyman-α سيتم استخدامه لمراقبة توزيع الوهج الشمسي في السماء لفهم تطور بنية الرياح الشمسية بشكل أفضل. يتشكل الوهج الشمسي من خلال التفاعل بين الهيدروجين المحايد بين النجوم (ISN H) والفوتونات الشمسية في منطقة فوق بنفسجية محددة تسمى نطاق موجة Lyman-α.

تدخل الفوتونات إلى الكاشف من خلال جهاز تجميع مع حاجز يقيد الفوتونات إلى تلك الموجودة فقط في مجال رؤية GLOWS (FOV). يسمح المرشح الطيفي فقط للفوتونات الموجودة في نطاق الطول الموجي Lyman-α بالدخول إلى كاشف مضاعف الإلكترون القنوي (CEM) الذي يحسبها. يتحول مجال رؤية GLOWS مع إعادة توجيه محور الدوران اليومي لـ IMAP، مما يسمح بإجراء ملاحظات متسلسلة لبنية الرياح الشمسية من مواقع منفصلة حول الشمس. يمكن استخدام عدد فوتونات Lyman-α من هذه الملاحظات لبناء صورة أكثر شمولاً لبنية الرياح الشمسية وكيف تتغير خلال الدورات الشمسية.

يتم تصميم وتجميع GLOWS بواسطة مركز أبحاث الفضاء ، الأكاديمية البولندية للعلوم ، وارسو، بولندا (CBK PAN). ^{[8] [9]}

^[6]

اسميًا، سيكون لدى IMAP اتصالان لمدة 4 ساعات في الأسبوع من خلال شبكة ناسا للفضاء العميق (DSN). وهذا يكفي لتحميل أي أوامر، وتنزيل بيانات العلوم والتنظيف الأسبوعية، وإجراء تحديد مدى المركبة الفضائية المطلوبة للملاحة. سيتواصل DSN مع مركز عمليات مهمة IMAP (MOC) في مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز ، والذي سيشغل المركبة الفضائية. ستمر جميع البيانات العلمية والإضافية عبر MOC إلى مركز عمليات العلوم (SOC) في LASP . ^[7] سيكون مركز عمليات العلوم IMAP في LASP مسؤولاً عن جميع جوانب عمليات الأجهزة: التخطيط، والقيادة، ومراقبة الصحة والحالة، والاستجابة للشذوذ، والهندسة المستدامة للأجهزة. سيتولى مركز عمليات العلوم أيضًا معالجة البيانات العلمية (بما في ذلك معايرة البيانات والتحقق والتحليل الأولي)، والتوزيع، والأرشفة، والحفاظ على خطة إدارة بيانات IMAP. سيتم إنتاج البيانات العلمية مركزيًا باستخدام الخوارزميات والبرامج وبيانات المعايرة التي يوفرها ويديرها كل فريق من الأجهزة.

سيتم مشاركة جميع البيانات العلمية وغيرها من البيانات مع مجتمع الفيزياء الشمسية بأسرع ما يمكن عمليًا من خلال سياسة البيانات المفتوحة المتوافقة مع سياسة إدارة بيانات علوم الفيزياء الشمسية التابعة لوكالة ناسا. يعد مرفق بيانات الفيزياء الفضائية التابع لوكالة ناسا (SPDF) الأرشيف النهائي لبرنامج IMAP، مع نقل البيانات بانتظام إلى SPDF حتى يمكن توفير البيانات من خلال موقع الويب الخاص بتحليل البيانات المنسق (CDAWeb). ^[6]

سيوفر IMAP بيانات الطقس الفضائي الحرجة في الوقت الفعلي من خلال "رابط IMAP النشط للوقت الفعلي" أو I-ALiRT. سيبث IMAP باستمرار مجموعة فرعية صغيرة (500 بت/ثانية) من البيانات العلمية لـ I-ALiRT إلى محطات أرضية داعمة حول العالم عندما لا تكون على اتصال بـ DSN. أثناء مسارات DSN، يتضمن نظام الطيران بيانات الطقس الفضائي في دفق البيانات العلمية الكامل المعدل، والذي يتلقاه MOC من DSN ويرسله إلى SOC. في كلتا الحالتين، يعالج SOC هذه الملاحظات في الوقت الفعلي لإنشاء منتجات البيانات المطلوبة من قبل مجتمع الطقس الفضائي. تتضمن البيانات جميع المعلمات المهمة التي يوفرها حاليًا Advanced Composition Explorer (ACE)، ولكن بإيقاع أعلى بكثير، وتتضمن أيضًا العديد من المعلمات الرئيسية الجديدة. ^[6]

هذه هي المهمة الخامسة في برنامج المسبارات الشمسية الأرضية التابع لوكالة ناسا . ^[10] يدير مكتب برنامج الفيزياء الشمسية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند برنامج STP لقسم علوم الفيزياء الشمسية التابع للوكالة في واشنطن العاصمة.

المحقق الرئيسي للمهمة هو ديفيد جيه ماكوماس من جامعة برينستون . وسيتولى مختبر الفيزياء التطبيقية التابع لجامعة جونز هوبكنز في لوريل بولاية ماريلاند إدارة المشروع. ^[4]

تبلغ تكلفة المهمة 564 مليون دولار أمريكي، باستثناء تكلفة الإطلاق على مركبة الإطلاق سبيس إكس فالكون 9 من مجمع كيب كانافيرال لإطلاق الفضاء 40 (SLC-40) في محطة كيب كانافيرال للقوات الفضائية (CCSFS) في فلوريدا . ^[11] اعتبارًا من أبريل 2020، تقدر التكلفة الإجمالية الأولية للمهمة بما يتراوح بين 707.7 مليون دولار أمريكي و776.3 مليون دولار أمريكي. ^[1]

تخطط ناسا لتضمين حلقة Grande لمحول الحمولة الثانوية EELV (ESPA) ( مركبة الإطلاق القابلة للتصرف المتطورة ) أسفل مركبة الفضاء IMAP، مما سيتيح الفرصة لـ 4 أو 5 حمولات ثانوية للركوب مع إطلاق IMAP. ^{[5] سيحدث نشر الحمولات الثانوية بعد نشر IMAP في مدار نقل إلى} نقطة لاغرانج L1 بين الأرض والشمس . قد تستخدم أقسام أخرى في مديرية مهمة العلوم بعض الفتحات وقد تستخدم بعضها من قبل وكالات حكومية أخرى. تم التنافس على فرصتين لفتحات لقسم علوم الفيزياء الشمسية كجزء من ملحق عنصر برنامج إشعار الفرصة المستقلة الثالثة (SALMON-3)، مع تقديم مقترحات لكليهما في 30 نوفمبر 2018. يجب الإعلان عن اختيار دراسات المرحلة أ في عام 2019. ^{[ بحاجة لتحديث ]}

تضمن إعلان الفرصة لبعثات العلوم الفيزيائية الشمسية لعام 2018 خيار اقتراح مهمة كاملة صغيرة لاستخدام IMAP ESPA Grande لإطلاق حمولة ثانوية. يمكن تخصيص ما يصل إلى منفذين على حلقة ESPA Grande لبعثات العلوم MoO. تم تصنيف الحمولات على أنها من الفئة D كما هو محدد في NPR 8705.4. ^[12]

إعلان الفرصة لمهام العرض التوضيحي لتكنولوجيا الفيزياء الشمسية لعام 2018 (TechDemo) طلبت بعثات الفرصة مقترحات SCM لعرض تكنولوجيات مستوى جاهزية التكنولوجيا المتوسطة المبتكرة (TRL) في رحلات الفضاء والتي تمكن من تحقيق تقدم كبير في أهداف وأغراض علوم الفيزياء الشمسية التابعة لوكالة ناسا. يجب اقتراح تحقيقات TechDemo للطيران كحمولة ثانوية مع مهمة IMAP. يمكن تخصيص ما يصل إلى منفذين على حلقة ESPA Grande لـ TechDemo. تم ​​تصنيف الحمولات على أنها من الفئة D كما هو محدد في NPR 8705.4. من المستهدف تحديد الاختيار الأدنى ^{[ بحاجة لتوضيح ]} للربع الثالث من السنة المالية 2020. ^{[13] [ بحاجة لتحديث ]}

• مستكشف الحدود بين النجوم - مركبة الفضاء IBEX، التي تم إطلاقها في أكتوبر 2008
• مستكشف التكوين المتقدم - المركبة الفضائية ACE، التي تم إطلاقها في أغسطس 1997
• فوييجر 1 - المركبة الفضائية فوييجر 1، أطلقت في سبتمبر 1977
• قسم علوم الفيزياء الشمسية - قسم علوم ناسا في مديرية البعثات العلمية

• الموقع الرسمي - موقع Princeton IMAP الرسمي
• الصفحة الرئيسية لـ ACE - الموقع الرسمي لـ ACE التابع لـ Caltech
• حقائق سريعة حول بروتوكول IMAP مؤرشفة في 26 نوفمبر 2021 على موقع Wayback Machine - صفحة بروتوكول IMAP بجامعة كولورادو، بولدر
• الفيزياء الشمسية - الصفحة الرسمية لوكالة ناسا للفيزياء الشمسية