星際邊界探測器衛星

“星際邊界探測器”(Interstellar Boundary Explorer，IBEX)是美國研製的天文衛星，於2008年10月19日由飛馬座-XL(Pegasus-XL)火箭在夸賈林島發射。IBEX是美國國家航空航天局(NASA)“小型探險者”(SMEX)計畫的一部分，由美國西南研究院負責管理，由軌道科學公司建造IBEX衛星並提供飛馬座-XL運載火箭，NASA戈達德SMEX辦公室承擔項目管理工作。IBEX首次對太陽系的遠邊界進行全範圍觀測，首次繪製出高清晰度的全天空空間圖。

基本介紹

• 中文名：星際邊界探測器衛星
• 外文名：Interstellar Boundary Explorer，IBEX
• 國家：美國
• 發射時間：2008年10月
• 主要功能：空間探測
• 運載器：飛馬座-XL火箭

發展背景

太陽系邊界區域大致從終端激波開始，止於弓形激波，其中包括日鞘、太陽風頂層等，是太陽風和星際介質相互作用的區域，非常複雜。它使大多數的致命宇宙射線無法抵達地球和其他太陽系行星周圍的空間，對於人類安全來說是至關重要的。到目前為止，人類對於這一區域的了解非常少，大多是通過間接觀測、建模和旅行者-1、2 (Voyager-1、2)探測器的單點觀測來實現，因此可以說，太陽系邊界還未真正被全面探測。

美國Voyager-1探測器經過27年多的太陽系之旅，於2004年12月16日在太陽系邊界遭遇並穿越了終端激波，當時距離太陽94個天文單位，成為第1個探測到終端激波及其外部的日鞘的太空飛行器。在穿越終端激波之前，Voyager-1觀測到了它所能觀測到的最低能量的高能粒子。基於Voyager-1對磁區和高能粒子的觀測，以及人類對太陽風的了解，可以推斷，在終端激波處太陽風的速度突然降低了。不過，由於Voyager-1上的等離子探測器早已失效，因此不能對太陽風速度的降低情況進行直接測量。Voyager-1的觀測結果曾引發了熱烈的科學爭論，例如，關於激波的全球結構，它的時間歷史及它是否（和怎樣）使不規則的宇宙射線加速，進而催生了對星際相互作用的全球、全天空觀測的需求。

2007年8月30日，經過30多年的長途跋涉，Voyager-2探測器在距離太陽84個天文單位處對終端激波進行了直接觀測，並第1次傳回了太陽系邊界的信息。它探測到了太陽系邊界區域的能量和磁力，證實了太陽系被壓扁的猜測。Voyager-2穿越了終端激波，進入了日鞘之中，但是無法了解太陽系邊界的全球特性。

為了探究“混亂”而不可見的太陽系邊界區域的全球結構，美國航空航天局在2005年1月，選擇IBEX作為“小探索者任務”（SMEX)之一，以獲得星際相互作用的全球圖。相對於Voyager探測器的單點測量，IBEX的觀測更全面，獲得的數據也會與前者的數據互為補充，讓人類更好地了解太陽系邊界區域。

衛星簡介

IBEX由美國西南研宄院研發，軌道科學公司作為子承包商，負責建造IBEX衛星和提供Pegasus-XL運載火箭，戈達德SMEX辦公室承擔IBEX項目的管理工作。

該天文衛星採用軌道科學公司的“微星”（MicroStar)平台，乾質量為80kg，加注燃料後質量為107kg有效載荷質量為26kg衛星STAR-27固體火箭發動機（ATK公司）和相關硬體的總質量為462kg。衛星平台功率為66W，有效載荷功率為16W，太陽電池陣功率為116W。它裝有2副天線下行鏈路數據率為320kbit/s上行鏈路數據率為2kbit/s，向“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS)傳輸數據的數據率為2kbit/s。

IBEX裝有高能和低能2台窄視場角探測器。高能(03~6keV)探測器包括4個子系統：準直儀用於剔除雜質離子和電子，瞄準中性原子；轉換碳箔用於把中性原子轉換成正離子；靜電能量分析器用於選擇能量通頻帶；符合器(Coincidence)用於確定轉換離子類型，剔除噪聲。低能(0.01~2keV)探測器也包括4個子系統：準直儀用於確定視場，瞄準中性原子，剔除雜質離子和電子；轉換表面用於把高能中性原子轉化成負離子，抑制電子；靜電能量分析器用於選擇能帶，剔除質子；時間飛行質譜儀用於確定轉換離子類型和抑制背景噪聲。此外，星上還裝有唯一的組合電子單元（CEU)。

這顆衛星採用了經過飛行驗證的高能 中性粒子成像技術和創新的任務設計，有效載荷和平台滿足SMEX計畫設定的系統參數要求，具有簡單、靈活、可靠和低風險的特點。

主要性能參數

IBEX採用軌道科學公司的“微星”(MicroStar)平台，衛星質量106kg，功率82W。採用自旋穩定對日定向，為避免被地球磁氣圈產生的高能中性原子污染，IBEX工作在7000km/320000km的高地球軌道上，2011年6月近地點提升至43500km。設計任務壽命為2年，2011年任務完成後NASA宣布將其觀測任務延長至2013年。

IBEX的主要有效載荷包括高能和低能2台窄角成像敏感器。這2台敏感器的觀測範圍有部分重疊，用以在飛行中對數據進行相互校準，提高觀測數據質量。

科學目標

IBEX的科學目標是揭示太陽系邊界區域裡太陽風和星際介質之間的全球相互作用，其中包括結構、動力學、高能粒子的加速，以及帶電粒子在太陽系邊界的傳 播等特性。它主要回答以下4個基本科學問題：①終端激波的全球強度和結構；②在終端激波中，高能質子如何被加速③終端激波之外和日球尾（heliotail)里的太陽風全球特性；④在太陽風頂層之外，星際流與日球層相互作用的原理。

IBEX會對從終端激波及其外部區域輻射到太陽系裡的高能中性原子進行採樣，實現對終端激波之外太陽系真正邊界的第1次全球觀測。它獲得的全球高能中性原子能譜，可提供對終端激波之外的太陽風離子、新生質子和高能質子的直接測量；作為方向函式的能譜，可顯示激波的三維結構和激波里離子的能量分布情況；所獲能譜也可表明，高能粒子是怎樣迫使終端激波發生改變的，以及什麼類型的注入過程可能在那裡起作用。根據其數據繪成的全球高能中性原子圖像，能夠辨別在終端激波外太陽風和星際介質相互作用的類型；根據圖像中顯示的不對稱特性，能確定終端激波之外的粒子流結構。IBEX 還可以實現對穿過終端激波的星際中性氧原子的第1次直接測量，確定終端激波里的星際氧原子的運動速率、方向和溫度，所獲信息與未穿過終端激波的氦原子信息進行對比，從而提供與穿越終端激波相關的信息，以及遠在太陽風頂層之外的星際相互作用信息。

IBEX獲得的數據將用於詳細建模和深入了解太陽系邊界的特性，因此對數據要進行3個層面的研究：

發現層面 研究IBEX的原始圖像、能譜和流量信息，從而直接掌握星際相互作用的基本特性。

探索層面 把IBEX數據產品與簡單的物理學計算、理論研宄、有限的二維、三維建模相結合，探索星際相互作用的潛在特性和演變。

理解層面 對IBEX獲得的數據進行疊代分析，與逐漸精確的日球層的三維模型相結合，深入揭示星際相互作用的奧秘。

IBEX的觀測時間安排在太陽周期內，而且Voyager已經利用穿越終端激波進行了單點觀測，能為IBEX獲得的全球圖像提供有價值的背景。同時IBEX 項目也是對“宇宙背景探測者”（COBE，1989年11月18日發射）和“微波異向 探測器”[MAP，2001年6月30日發射，後更名為“威爾金森微波異向探測器” (WMAP)]項目的突破，能第1次形象地描述銀河系中的太陽系邊界，探測這一邊界在太陽系歷史裡是如何演化的。IBEX 對太陽系邊界的第1次“繪圖”，邁出了人類對銀河系邊界探測的“第一步”。

工作過程

IBEX收集的高能中性原子，是由太陽風離子和星際中性粒子交換電荷而在終端激波外面形成並飛到日球層內部的。該衛星既繞地球飛行也自旋，在6個月的時間裡，它利用高能和低能探測器收集來自天空不同區域的原子。衛星會記錄每個原子的來自區域、進入探測器的時間、質量和能量大小，然後利用高能、低能探測器進一步分析、研究。

就像電荷交換產生高能中性原子一 樣，IBEX的2台探測器利用電荷交換 把這些高能中性原子還原為離子來研究和檢測。在高能探測器里，高能中性原子通過超薄（約10nm)轉換碳箔時轉化成正離子；在低能探測器里，高能中性原子經過超平整類金剛石轉換表面的反射後產生負離子。之後，高能中性原子產生的正負離子、剩餘粒子和紫外線到達2台探測器的靜電能量分析器，經過濾之後只剩下離子，它們分別到達符合器和時間飛行質譜儀，最終確定離子類型。

數據傳輸與接收

IBEX繞地球飛行一圈需要5 ~8天。在每圈軌道里，該衛星有一段時間處於地球磁氣圈中，期間可以與地球通信，因為此時距離地球較近，所以不需要耗費很多能量來傳送無線電信號IBEX 每分鐘收集到的粒子很少，因此數據傳輸率也比較小。

它的地面系統包括：杜勒斯的軌道科學公司任務控制中心、通用空間網地面站、聖安東尼奧的西南研究院和麻薩諸塞的波士頓大學的IBEX科學運行中心。衛星數據的接收利用通用空間網，這樣，不管該衛星與地球的相對位置如何，總有接收機能接收到衛星信號。IBEX科學運行中心負責評估任務數據，監測有效載荷的性能和分發IBEX數據產品。TDRSS會對STAR-27固體火箭發動機的點火進行實時監測，把相關信息傳給地面站。

總結

IBEX能夠提供第1幅太陽系邊界區域的全球圖像，揭示太陽風和星際介質相互作用的物理學特性。這一研究能實現美國航空航天局和國家研究委員會的計畫需求，與天體物理學現象建立聯繫後，可對了解太陽系與銀河系的關係起到重要作用。而且，通過對把大量銀河系宇宙射線輻射阻擋在外的太陽系邊界區域的研究，可提出載人探測可能要面對的嚴峻挑戰。另外，IBEX利用專門的固體火箭發動機和內部推進系統到達最終的軌道位置，這一開創性的、相對廉價的發射模式，可作為未來把小型商業太空飛行器送入高軌道的一種有益嘗試。