Udførelse af ultrahurtige elektronmålinger i flere retninger for at afsløre nordlysets hemmeligheder

De energiske elektroner, der driver nordlyset (nordlyset) har en rig og meget dynamisk struktur, som vi i øjeblikket ikke helt forstår. Meget af det, vi ved om disse elektroner, kommer fra instrumenter, der har fundamentale begrænsninger i deres evne til at sample flere energier med høj tidsopløsning.

For at overvinde disse begrænsninger bruger NASA en innovativ tilgang til at udvikle instrumentering, der vil forbedre vores måleevner med mere end en størrelsesorden – og afsløre et væld af ny information om den fantastiske fysik, der sker i nordlyset.

Typiske elektroninstrumenter er afhængige af en teknik kaldet elektrostatisk afbøjning, som kræver ændring af en spænding for at vælge forskellige energier af elektroner, der skal måles. Disse instrumenter er blevet fløjet på mange forskellige rummissioner og har leveret næsten alle in-situ elektronmålinger foretaget inde i nordlyset.

De fungerer fremragende, når de observerer på tidsskalaer på sekunder eller endda ned til omkring en tiendedel af et sekund, men de kan grundlæggende ikke observere ned til mindre (millisekunder) tidsskalaer på grund af den tid, det tager at gennemse spændinger.

Jordbaserede optiske observationer af nordlyset har vist, at der kan være hurtige rumlige og tidsmæssige variationer, der ligger uden for observationsevnen for traditionelle elektroninstrumenter. Derfor udviklede medlemmer af Geophysics Laboratory ved NASAs Goddard Space Flight Center et instrument kaldet Acute Precipitating Electron Spectrometer (APES), der kan måle elektronudfældning i nordlyset med en kadence på et millisekund.

APES bruger et stærkt magnetfelt inde i instrumentet til at adskille elektroner med forskellige energier på forskellige rumlige områder af detektoren. Denne metode gør det muligt for instrumentet at måle hele elektronenergispektret samtidigt med en meget høj hastighed (hver 1 ms).

I designet af APES skulle der foretages en større afvejning. For at magnetfeltgeometrien skal fungere korrekt, kan instrumentet kun observere i én retning. Dette koncept fungerer godt, hvis målet blot er at måle de udfældende (nedadgående) elektroner i nordlyset, der i sidste ende rammer atmosfæren. Vi ved dog, at elektroner i nordlyset også bevæger sig i andre retninger; faktisk indeholder disse elektroner en masse information om andre fysiske processer, der sker længere ude i rummet.

For at muliggøre måling af elektroner i mere end én retning udviklede Goddard-teamet APES-360-instrumentkonceptet. For at skabe APES-360-designet brugte teamet de samme driftsprincipper, som blev brugt i APES, men opdaterede dem til at rumme en multi-look retningsgeometri, der dækker et 360-graders synsfelt ved hjælp af 16 forskellige sektorer.

Holdet skulle overvinde adskillige tekniske udfordringer for at udvikle APES-360-konceptet. Især elektronikdesignet skulle rumme mange flere anoder (ladningsdetekterende overflader) og det tilhørende kredsløb i et lille område.

APES-360-prototypen, der i øjeblikket er ved at blive bygget, vil blive testet og kalibreret ved Goddard og vil flyve på en sonderende raket ind i aktive nordlys i vinteren 2025. Denne flyvning vil give virkelige data inde fra nordlyset, der vil blive brugt til at validere instrumentets ydeevne og informere fremtidige designforbedringer.

APES-360-instrumentet er ved at blive designet til at passe ind i en CubeSat-formfaktor, så det kan bruges på fremtidige CubeSat-missioner til at studere nordlyset. Instrumentet kunne også i sidste ende flyves på større orbitale missioner.

Leveret af NASA