Visualizzazione dell'ambiente marziano che mostra l'orbita di Mars Express, così come le osservazioni del campo magnetico (frecce rosse) campionate dalla navicella spaziale MAVEN lungo la sua orbita. La vista include anche la mappa simulata della magnitudine del campo magnetico nel piano XZ centrato su Marte perpendicolare all'orbita del pianeta, dove l'asse X punta verso il Sole, ei vettori del campo magnetico simulato lungo le orbite dei veicoli spaziali Mars Express e MAVEN (vettori blu). Diverse regioni e confini, come lo shock dell'arco o le regioni del campo magnetico crostale, può essere identificato nell'immagine. Credito:CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; Vista 3D
Un nuovo database di simulazioni al plasma, combinato con dati osservativi e potenti strumenti di visualizzazione, sta fornendo agli scienziati planetari un modo senza precedenti per esplorare alcuni degli ambienti di plasma più interessanti del Sistema Solare.
Questa storia di esplorazione spaziale digitale inizia con l'Integrated Medium for Planetary Exploration (IMPEx), un progetto collaborativo per creare un hub dati comune per le missioni spaziali.
Mentre le missioni planetarie sono cruciali per capire come il vento solare interagisce con le magnetosfere dei pianeti e delle lune nel nostro Sistema Solare, i modelli numerici sono a sua volta, essenziale per comprendere appieno le misurazioni e migliorare la nostra conoscenza degli ambienti del plasma planetario.
Il progetto IMPEx ha riunito esperti austriaci, Francia, Finlandia e Russia per trovare un linguaggio comune per combinare i dati di vari modelli di simulazione e confrontare questi risultati numerici con i dati osservativi raccolti dalle missioni spaziali nel Sistema Solare.
Fu in questo contesto che un gruppo guidato da Ronan Modolo al Laboratoire Atmosphères, ambienti, Osservazioni spaziali (LATMOS), in Francia, ha iniziato a sviluppare una raccolta di simulazioni di plasma in vari corpi planetari. Il database Latmos Hybrid Simulation (LatHyS) e i suoi usi sono presentati in un nuovo studio pubblicato all'inizio di quest'anno in un numero speciale di Scienze planetarie e spaziali .
Modellare ambienti celesti
Il database LatHyS include una serie di risultati di simulazione del plasma - la miscela di particelle cariche che permea lo spazio interplanetario - in determinati pianeti o corpi planetari nel nostro Sistema Solare. Le simulazioni si basano su modelli numerici avanzati che tengono conto di una serie di complessi processi fisici e chimici nelle alte atmosfere degli oggetti celesti, la loro interazione con il vento solare e la risposta alla radiazione solare.
"Finora, gli oggetti celesti modellati dalle simulazioni LatHyS includono Marte, Mercurio e la luna di Giove, Ganimede, " spiega Modolo. "Stiamo pianificando di estendere questo database ad altri oggetti come la luna di Saturno Titano e, a lungo termine, ad altre lune di Giove, come Europa o Callisto, " Aggiunge.
Il database offre alla comunità scientifica planetaria l'accesso a dati di plasma simulato, compresi i campi elettrici e magnetici, densità, temperatura e velocità di massa del plasma. LatHyS, insieme a una suite di strumenti di analisi e visualizzazione dei dati, consente ai ricercatori di combinare facilmente i dati di vari veicoli spaziali con i risultati della simulazione, per creare immagini 3D che mostrino come il vento solare interagisce con il plasma planetario, e altro ancora.
"Con pochi clic, l'utente può ottenere una scena tridimensionale realistica dell'ambiente del plasma sul pianeta e della traiettoria del veicolo spaziale, con misurazioni in situ arricchite da risultati di simulazione, "dice Dmitri Titov, Scienziato del progetto ESA Mars Express e utente del database, che non è stato coinvolto nello studio.
"Gli utenti possono utilizzare questo strumento anche per creare animazioni e, dal punto di vista scientifico, per visualizzare le misurazioni nel contesto in cui sono state eseguite e assistere nella pianificazione di osservazioni future."
Per mostrare quanto possano essere utili LatHyS e i relativi strumenti di visualizzazione 3D nell'aiutare a comprendere gli ambienti del plasma planetario, Modolo e il suo team hanno presentato un caso scientifico nel loro nuovo studio incentrato su Marte. Hanno usato i dati osservativi del Mars Express dell'ESA, una missione che esplora il Pianeta Rosso dal 2003, sondando il suo ambiente plasma con dettagli senza precedenti. Hanno anche fatto affidamento sui dati di un secondo orbiter marziano dotato di uno strumento al plasma:Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission (MAVEN) della NASA. che è arrivato su Marte nel 2014 e da allora studia l'ambiente plasmatico del pianeta e la sua interazione con il vento solare in stretta collaborazione con Mars Express.
Per il nuovo studio, i ricercatori hanno combinato e confrontato i dati di MAVEN e Mars Express con i risultati della simulazione LatHyS. Combinando le simulazioni con i dati osservativi e le orbite dei due veicoli spaziali utilizzando 3DView, uno strumento di visualizzazione 3D sviluppato anche nell'ambito di IMPEx, è stato possibile analizzare in un modo nuovo come il vento solare interagisce con l'atmosfera superiore di Marte .
Mentre il caso scientifico si è concentrato sul Pianeta Rosso e sulle missioni Mars Express e MAVEN, il database può essere utilizzato per esplorare altri corpi nel Sistema Solare, confrontare i risultati della simulazione con i dati di osservazione di altre missioni spaziali.
"All planetary missions with plasma instruments – past, present and future – can be potentially used, but for the time being we focus on those dedicated to Mars, Mercurio, and Ganymede, " says Modolo.
This includes ESA's Rosetta, which flew by Mars in 2007 on its way to Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, e, nel futuro, BepiColombo and JUICE, the JUpiter ICy moons Explorer. The Mercury Magnetospheric Orbiter and the Mercury Planetary Orbiter on the ESA-JAXA BepiColombo mission will explore different regions of Mercury's plasma environment, while ESA's JUICE has Ganymede, the largest moon of Jupiter, as one of its main targets.
Modolo looks to future missions since LatHyS, combined with visualisation tools, can help plan for them.
Seeing the solar system in 3-D
A strength of LatHyS is how well it works with 3DView, a powerful application for displaying science data in 3-D. In the current version of the viewer, users can visualise spacecraft trajectories, the positions of planets and other Solar System bodies, tra le altre caratteristiche. Ma ancora più importante, because of the integration with IMPEx and LatHyS, 3DView can display scientific data from multiple space missions, as well as from simulations. A new paper led by Vincent Génot of the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) in Toulouse, Francia, pubblicato nello stesso numero di Scienze planetarie e spaziali , introduces the latest version of the tool and describes in detail how it can be used to display space physics data.
3DView, designed by the French Plasma Physics Data Center (CDPP), was initially developed in 2005 to visualise the trajectory of ESA's Rosetta spacecraft on its way to the comet. The viewer now comprises some 150 space missions, including Rosetta, Venus Express, and Cassini–Huygens, as well as all planets and moons in the Solar System and a number of asteroids and comets.
"3DView offers the possibility to visualise spacecraft ephemerides – of past, present and future missions – and, quando disponibile, observations at all celestial objects in the Solar System explored by space missions equipped with plasma instruments, " says Génot.
Illustration of the ionised environment of Jupiter's moon, Ganimede, one of the main targets of ESA's future JUICE mission. The scene also includes a flow map on the left of the frame, and is completed by magnetic field lines that pass through the JUICE trajectory. Credit:CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView
One of the main applications of the tool, also in combination with LatHyS, is in helping scientists and engineers during the preparation stages for space missions, allowing them to visualise spacecraft trajectories and the environment at celestial bodies. Nel 2014, a version of 3DView helped scientists in the selection process of a landing site at Rosetta's comet for the Philae probe.
A science case presented in this study features ESA's future mission, JUICE, which is planned for launch in 2022. The researchers combined observations of Ganymede done by NASA's Galileo mission a couple of decades ago with LatHyS simulations of the plasma environment at this Jupiter moon. JUICE scientists have used 3DView in a similar way, to analyse simulations at Ganymede and gather information, such as times for closest approaches or magnetopause crossings, about future fly-bys of the moon by JUICE.
"The 3DView tool is useful to visualise the trajectory of JUICE in the Jupiter system and also to visualise the 'invisible' magnetospheric boundaries, " says ESA's JUICE Project Scientist Olivier Witasse.
While its main target audience is the scientific community, 3DView is also attracting attention as an educational tool. The code is open source and the software is often used in higher-education courses to help students have a better grasp of space physics.
From providing new ways to explore our Solar System to planning future missions and inspiring the next generation of space researchers, LatHyS and 3DView show how much scientists and engineers can gain from combining observations and simulations.
