太陽極域観測ミッション SOLAR-C ・ A 案

1. 太陽極域観測ミッションSOLAR-C・A案 原　弘久（国立天文台) SOLAR-C WG (ISAS/JAXA) SOLAR-C A案検討WG (JSPEC/JAXA) SOLAR-C検討室（国立天文台） 2010年12月5日

2. SOLAR-Cの構想 • 「ひので」で明らかになりつつある新しい太陽像を　ふまえ、　以下の2案を並行して検討中： • A案: 黄道面脱出による太陽探査 黄道面を離れた観測（傾斜角目標~40）より、　　太陽内部構造・太陽周期ダイナモ機構に挑む 磁場生成過程の解明に向けた新たな観測　 • B案：分光能力向上による高解像度観測 分光診断能力の大幅な向上による、　　　　　　　彩層ダイナミックスを中心とした光球ーコロナ　　システムの　観測・彩層+コロナ加熱機構の解明 磁場散逸過程の解明へ • 最速でFY2018年頃の打ち上げを目指す • H-IIAによる打ち上げを想定

3. 目標とする最終軌道 SOLAR-C Earth Sun 地球の公転と同期する周期1年の円軌道

4. TSI (W m-2) SOLAR-C A案：　黄道面脱出による太陽探査 ＜ダイナモ磁気活動の理解に向けた探査＞ • 高緯度・極領域の表面磁気構造の探査 • 高緯度・極領域の内部流れ場探査　　　　　　 • 磁場生成領域とみなされる対流層底部探査 　（日震学的アプローチ） ＜Vantage pointからの探査＞ • 極領域からの高速太陽風探査 • 黄道面外からの太陽総放射量の測定 • オプション：CME・太陽風構造のイメージング • など 極磁場 内部 角速度 分布 太陽風

5. A案： 太陽ダイナモの理解に向けて • 太陽周期活動を駆動しているのはダイナモ機構 • 太陽内部の流れと磁場の相互作用 • 実際のメカニズムの詳細は未解明 地球ダイナモの磁場逆転の タイムスケールは10－100万年 動径方向磁場 北極 S N N S N N 太陽面緯度 南極 Year 10年

6. TSI (W m-2) SOLAR-C A案：　黄道面脱出による太陽探査 ＜ダイナモ磁気活動の理解に向けた探査＞ • 高緯度・極領域の表面磁気構造の探査 • 高緯度・極領域の内部流れ場探査 • 磁場生成領域とみなされる対流層底部探査 　（日震学的アプローチ） ＜Vantage pointからの探査＞ • 極領域からの高速太陽風探査 • 黄道面外からの太陽総放射量の測定 • オプション：CME・太陽風構造のイメージング 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 など 極磁場 内部 角速度 分布 太陽風

7. 太陽内部ダイナミクスの日震学観測 • 太陽5分振動を使った太陽内部診断 • 差動回転、子午面流＋対流 • SOLAR-Cで太陽全領域をカバー→理論への観測的制約 緯度 [m/s] 北極 角速度 40 82° 子午面流速度 79° 赤道 76° 73° -40 60 30 -60 -30 0 ひので衛星による 水平方向速度（局所日震学） 南極 緯度 [deg] 赤道近傍で 上昇・下降 速度は 5-10 m/s 差動回転 子午面流 対流？ 未測定領域（黄道面外からの観測をすれば従来の方法で埋められる領域）

8. P-mode ray path SOLAR-C S/C Tachocline Convection zone SOLAR-C A案：　対流層底部での磁力管探査 • 強磁場の磁束管が対流層底に　　横たわる速度シア層tachoclineで生成されていると考えられている 　　本当だろうか？ • 局所日震学によるtachocline位置での磁束管の探査 　　（　挑戦的な対象　） Earth 内部角速度分布

9. TSI (W m-2) SOLAR-C A案：　黄道面脱出による太陽探査 ＜ダイナモ磁気活動の理解に向けた探査＞ • 高緯度・極領域の表面磁気構造の探査 • 高緯度・極領域の内部流れ場探査　　　　　　 • 磁場生成領域とみなされる対流層底部探査 　（日震学的アプローチ） ＜Vantage pointからの探査＞ • 極領域からの高速太陽風探査 • 黄道面外からの太陽総放射量の測定 • オプション：CME・太陽風構造のイメージング 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 など 極磁場 内部 角速度 分布 太陽風

10. 極域太陽風・極域磁気構造 Ulyssesによる結果 • 極域コロナホール • 高速太陽風の源 • 太陽風加速のエネルギー源は何か？ • 極域磁気構造観測 • 極端紫外線領域での　　　高感度分光観測による　　波動検出 Ulysses First Orbit near Solar Min 軌道傾角を利用して、 Ulysses Second Orbit near Solar Max McComas et al. (2003)

11. TSI (W m-2) SOLAR-C A案：　黄道面脱出による太陽探査 ＜ダイナモ磁気活動の理解に向けた探査＞ • 高緯度・極領域の表面磁気構造の探査 • 高緯度・極領域の内部流れ場探査　　　　　　 • 磁場生成領域とみなされる対流層底部探査 　（日震学的アプローチ） ＜Vantage pointからの探査＞ • 極領域からの高速太陽風探査 • 黄道面外からの太陽総放射量の測定 • オプション：CME・太陽風構造のイメージング など 極磁場 内部 角速度 分布 太陽風

12. Total Solar Irradiance (TSI) • 「太陽定数」ともいわれる太陽の光度変動　 • 光度変動量は ~0.1% • 太陽と同レベルの磁気活動（彩層活動）を示す他の星では3倍程度の変動が観測　　　太陽は特別？ • 高緯度ではもっと変動が大きいのではないか？ →高緯度方向から観測して確かめる以外にない Figure from PMOD WRC homepage

13. SOLAR-C A案：　搭載観測装置案 基本的には既に宇宙空間で動作した装置 • 可視光磁場：ドップラー観測装置 （太陽全面、~1秒角空間分解能） • 総放射量計 • Ｘ線/EUV 望遠鏡・スペクトロメータ • オプション(惑星間撮像装置、その場観測装置など） 　例：太陽風・CMEイメージャー • 総重量~130 kg (TBD)：　たくさんは積めない 　（システム検討のための初期想定重量） データ圧縮後のデータ発生量総量は平均~100 kbps

14. 目標とする最終軌道 SOLAR-C Earth Sun 地球の公転と同期する周期1年の円軌道

15. SOLAR-C A案:軌道 • イオンエンジンによる近地球・中傾斜角軌道 • 高データレート観測（磁場観測・日震学観測に必須） • イオンエンジン動作中は非観測の制約の可能性 • 打ち上げ機会は半年ごと • 最終軌道1AU円軌道、太陽赤道面からの傾斜角 ~40 • 最終軌道到達まで5年 • 木星・地球スイングバイによる中傾斜角軌道 • 遠方では低空間分解能・低データレート観測 • 打ち上げ機会は~1.2年ごと, 好条件は~5年ごと • 地球でのスイングバイで軌道周期を短縮 • 最終軌道1AU円軌道、好条件下で高傾斜角 ~40達成 • 最終軌道到達まで7年 適度な衛星寿命と想定可能な機器能力では、太陽赤道面より40°程度までが可能範囲

16. SOLAR-C A案 どこまでいけるのか？ i : 太陽赤道面からの傾斜角 イオンエンジン＋ 地球スイングバイによる航法 木星を使用 Cruise by Ion engine in a shorter duration compared with SO Rocket: H-II A-202 ~5 years for final orbit of a=1.0AU, 1yr period i = 60 deg Ballistic orbit Jupiter & Earth swing-by of long-duration cruise (>7 yr ) Final period ~ 2 yr H-II A-204 i = 50 deg Possible by Earth swing-by only i = 40 deg 弾道軌道航法 Ballistic orbit by Jupiter& Earth Swing-by H-II A-202 i = 30 deg ~7 years for final orbit of a=1.0AU, 1yr period i = 20 deg

17. SOLAR-C Ion engine + Earth swing-by A案: Timing of Earth swing-by Window for observations 太陽-地球距離 2 Distance (AU) Sun-S/C Earth-S/C cruise by ion engines 1 0 45 軌道の傾斜角 30 Angle from Solar Equatorial Plane (deg) 15 0 -15 -30 -45 テレメトリ レート 1000 100 Telemetry Rate (kbps) - Few occasions for pointing to the Sun - Pointing disturbance level TBD 10 24hr/day link assumed 1 2022 2023 2024 2017 2025 2018 2020 2019 2021 2026 Priority in this case: reach max inclination as soon as possible

18. SOLAR-C A案：衛星システムの技術的課題 • イオンエンジンによる軌道（惑星間空間の飛翔） • 大電力電源系、大型太陽電池パネル　(~6 kW) • 長距離高速通信(~100 kbpsデータ発生@0.6AU) • 大推力イオンエンジン（複数台で120mN max 想定) • 高発熱機器(通信・イオンエンジン系)からの排熱 • 衛星システムを成立させる軌道設計・熱設計 • B案　高分解能観測からの要請 • 低擾乱姿勢制御　Hinodeで基礎は確立 • 高速通信回線(10Mbps平均通信レート)の確保

19. 国際協力 • ようこう衛星、ひので衛星と同様に、　　　　　　国際協力のもとでの実現を目指している • 2010年より、JAXAとNASAでSOLAR-Cの　共同作業部会の活動が開始 • 欧州ESAとも連絡をとり、協力体制を模索している

20. Calendar for Years 2009–2020 2010 2020 CY HINODE Solar maximum Solar maximum 2006 Sep. 23 Initial analysis and discovery Phase 1 New development from solar max. observations Phase 2 New view with cycle-long observations Phase 3 SOLAR-C Pre Project Launch (CY 2019 February) Project WG Activities JAXA B/C D Pre-A A Established international SOLAR-C sub-WG (Feb. 2009) Pre-A: Pre-Phase-A (WG activities) A: Phase-A (R&D) B/C: Phase-B/C (PM phase) D: Phase-D (FM phase) PDR CDR SRR SDR MDR Interim Report of Mission Proposal to be distributed (January 2011) Mission proposal submission to JAXA (autumun 2011) Sounding Rocket Experiment with NASA CLASP Kickoff (Nov. 2008) Launch (summer 2014)

21. まとめ：太陽極域観測ミッション • 黄道面外からの太陽極域観測ミッション．　　主目的は 太陽ダイナモ機構の観測的研究 探査機による観測内容： 太陽内部ダイナミクスの日震学的観測 極領域磁気構造の観測 星としての太陽光度変動の観測 その他、新しい視点・地の利を活かした観測