Cluster og XMM-Newton baner vejen for SMILE

Et fælles europæisk-kinesisk rumfartøj, SMILE er i øjeblikket planlagt til lancering i 2023. Det vil blive placeret i en meget skrånende, elliptisk bane omkring Jorden, hvilket vil tage det så langt som 120.000 km fra vores planet.

Et af dets primære mål vil være at observere Sol-Jord-forbindelsen, især interaktionerne på Jordens dagside mellem solvinden - en strøm af ladede partikler, der strømmer fra Solen ind i det interplanetariske rum - og vores planets magnetosfære.

Magnetosfæren er en usynlig magnetisk boble, der beskytter planeten mod det non-stop, men variabel, bombardement af solpartikler - hovedsageligt protoner og elektroner.

SMILE vil bære fire instrumenter til at observere denne evigt skiftende himmelske slagmark:en lysionanalysator, et magnetometer, et blødt røntgenbillede, og en ultraviolet aurora-imager.

Det bløde røntgenbillede, som er designet til at detektere og afbilde lavenergi røntgenstråler, vil observere de ydre områder af Jordens magnetosfære i op til 40 timer pr. kredsløb.

Disse områder omfatter magnetosheath, som ligger bag buestødet, hvor strømmen af ​​solvindpartikler er dramatisk bremset, og magnetopausen, som er den ydre grænse for Jordens magnetosfære.

Af særlig interesse for videnskabsmænd, der forbereder sig til SMILE-missionen, er tætheden af ​​neutrale brintatomer nær magnetopausen. Det er her signalet ved lavenergi røntgenstråler, eller blødt røntgensignal, forventes at nå sit højdepunkt.

Røntgenstrålerne genereres, når højt ladede partikler fra solvinden kolliderer med brintatomer i Jordens magnetiske miljø - en proces kendt som solvindladningsudveksling. Når brintdensiteten og solvindstrømmen er højere end gennemsnittet, resultatet er en stærkere emission af bløde røntgenstråler. På sådanne tidspunkter, SMILE vil være i stand til at give hyppige, røntgenbilleder og film i høj opløsning af interaktionsregionen.

De resulterende billeder - de første af deres slags - vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå de storstilede interaktioner mellem vores planets ydre magnetosfære og solvinden. Ved at søge efter den bløde røntgentop, SMILE vil spore bevægelsen af ​​magnetopausen og afsløre nogle af hemmelighederne bag, hvordan magnetiske feltlinjer snapper og forbindes igen på global skala.

For at forbedre vores forståelse af, hvad der sker, når solvindladningsudvekslingsprocessen finder sted, videnskabsmænd i Europa, Kina og USA bruger data fra satellitter såsom ESA's XMM-Newton røntgenobservatorium og Cluster-kvartetten af ​​satellitter, der flyver gennem Jordens magnetosfære. Dataene sætter dem i stand til at studere faktiske bløde røntgenmålinger foretaget i nær-jordens rum, og at simulere, hvad SMILE sandsynligvis vil observere.

I 2019, Hyunju Connor fra University of Fairbanks, Alaska, OS., og Jennifer Carter, University of Leicester, Storbritannien, publicerede et papir i AGU-tidsskriftet JGR:Space Physics, hvor de undersøger neutral brintdensitet i afstande fra Jorden på omkring 64 000 km - den gennemsnitlige afstand af den subsolar magnetopause - ved hjælp af XMM-Newton-observationer i bløde røntgenstråler.

XMM-Newton er et astrofysisk observatorium designet til at studere meget energiske fænomener på tværs af kosmos, såsom sorte huller og rester af supernovaeksplosioner, som skinner klart i røntgenstråler. Satellitten følger en meget elliptisk, 48-timers kredsløb om Jorden.

Mens XMM-Newtons mål ligger langt ud over vores planet, synslinjen for dets røntgenbilleder kan nogle gange passere gennem Jordens magnetiske kappe på dagen, hvilket resulterer i en diffus blød røntgen-emission i forgrunden af ​​observationen.

Denne emission betragtes normalt som en uønsket forurening af astrofysikere, men det giver en mulighed for plasmaforskere, som har analyseret disse data i mange år, at undersøge solvindladningsudvekslingshændelser i den ydre magnetosfære. Disse undersøgelser viser sig nu at være værdifulde under forberedelserne til SMILE-missionen.

I deres papir, Connor og Carter undersøgte 103 tidsvariable solvindladningsudvekslingshændelser, som astronomer havde opdaget i løbet af næsten 9 år med XMM-Newton røntgenobservationer. Blandt de 10 stærkeste begivenheder, de fandt to hændelser den 4. maj 2003 og den 16. oktober 2001, for hvilke der også var magnetosheath-data tilgængelige fra Cluster-rumfartøjet og den japanske Geotail-satellit, samt solvinddata fra NASAs ACE- og WIND-rumfartøjer, del af OMNI-missionen.

Til disse arrangementer, forskerne sammenlignede disse in situ målinger med simuleringer genereret ved hjælp af en computermodel kendt som Open Geospace Global Circulation Model, eller OpenGCCM, som bruger solvinddata som input. In situ-dataene var afgørende for at verificere modellens validitet.

Efter at have bekræftet en god overensstemmelse mellem den modellerede og observerede tæthed i magnetoskeden, forskerne var i stand til at bestemme tætheden af ​​neutrale brintpartikler nær magnetopausen. De fandt ud af, at den estimerede neutrale tæthed var høj nok til at producere stærke bløde røntgensignaler, bekræfter, at SMILE skulle give spændende nye billeder af den dynamiske sol-magnetosfære-interaktion.

Forskerne udfører nu statistisk analyse på en bredere prøve af XMM-Newton-data, for at opnå en mere omfattende karakterisering af dagside neutrale brintdensiteter, under hensyntagen til variationer i solaktivitet.

I mellemtiden endnu en 2019-opgave i JGR:Space Physics ledet af Tianran Sun fra National Space Science Center i Beijing, Kina, præsenteret simuleringer af den bløde røntgen-emission på magnetopausen på dagen og spidserne under forskellige solvindforhold.

Disse simuleringer hjælper med at forudsige adfærden af ​​en lang række fænomener, der er relevante for SMILEs bløde røntgenbilledobservationer, såsom ændringer i røntgenstrømmen eller i magnetopausestedet, afhængig af den indkommende solvindflux. Parallelt, disse undersøgelser understøtter også udviklingen af ​​den metodologi, der vil blive brugt til at rekonstruere 3-D-strukturen og placeringen af ​​magnetopausen ud fra de 2-D-billeder, som SMILE-bløde røntgenkameraet vil opnå.