Gli elettroni energetici che guidano l’aurora boreale (l’aurora boreale) hanno una struttura ricca e molto dinamica che attualmente non comprendiamo appieno. Molto di ciò che sappiamo su questi elettroni proviene da strumenti che presentano limitazioni fondamentali nella loro capacità di campionare più energie con un'elevata risoluzione temporale.
Per superare queste limitazioni, la NASA sta utilizzando un approccio innovativo per sviluppare una strumentazione che migliorerà le nostre capacità di misurazione di oltre un ordine di grandezza, rivelando una ricchezza di nuove informazioni sulla straordinaria fisica che avviene all'interno dell'aurora.
I tipici strumenti elettronici si basano su una tecnica chiamata deflessione elettrostatica, che richiede la modifica di una tensione per selezionare le diverse energie degli elettroni da misurare. Questi strumenti hanno volato in molte missioni spaziali diverse e hanno fornito quasi tutte le misurazioni degli elettroni in situ effettuate all'interno dell'aurora.
Funzionano alla grande quando si osserva su scale temporali di secondi o addirittura fino a circa un decimo di secondo, ma fondamentalmente non possono osservare su scale temporali più piccole (millisecondi) a causa del tempo necessario per attraversare le tensioni.
Le osservazioni ottiche dell’aurora da terra hanno dimostrato che possono esserci rapide variazioni spaziali e temporali che vanno oltre le capacità di osservazione degli strumenti elettronici tradizionali. Pertanto, i membri del Laboratorio di Geofisica del Goddard Space Flight Center della NASA hanno sviluppato uno strumento chiamato Acute Precipitating Electron Spectrometer (APES) in grado di misurare la precipitazione di elettroni all'interno dell'aurora con una cadenza di un millisecondo.
APES utilizza un forte campo magnetico all'interno dello strumento per separare gli elettroni con energie diverse in diverse regioni spaziali del rilevatore. Questo metodo consente allo strumento di misurare simultaneamente l'intero spettro energetico degli elettroni a una velocità molto elevata (ogni 1 ms).
Nella progettazione di APES è stato necessario raggiungere un importante compromesso. Affinché la geometria del campo magnetico funzioni correttamente, lo strumento può osservare solo in una direzione. Questo concetto funziona bene se l’obiettivo è solo quello di misurare gli elettroni che precipitano (discendenti) nell’aurora e che alla fine colpiscono l’atmosfera. Sappiamo però che gli elettroni nell'aurora si muovono anche in altre direzioni; infatti, questi elettroni contengono molte informazioni su altri processi fisici che avvengono più lontano nello spazio.
Per consentire la misurazione degli elettroni in più di una direzione, il team Goddard ha sviluppato il concetto di strumento APES-360. Per creare il design di APES-360, il team ha utilizzato gli stessi principi operativi utilizzati in APES, ma li ha aggiornati per accogliere una geometria di direzione multi-sguardo che copre un campo visivo a 360 gradi utilizzando 16 settori diversi.
Il team ha dovuto superare diverse sfide tecniche per sviluppare il concetto APES-360. In particolare, il progetto dell'elettronica doveva ospitare molti più anodi (superfici di rilevamento della carica) e i circuiti associati in una piccola area.
Il prototipo APES-360 attualmente in costruzione sarà testato e calibrato a Goddard e volerà su un razzo sonda nell'aurora attiva nell'inverno del 2025. Questo volo fornirà dati reali dall'interno dell'aurora che verranno utilizzati per convalidare le prestazioni dello strumento e informare futuri miglioramenti di progettazione.
Lo strumento APES-360 è stato progettato per adattarsi a un fattore di forma CubeSat in modo che possa essere utilizzato nelle future missioni CubeSat per studiare l'aurora. Lo strumento potrebbe anche essere utilizzato in missioni orbitali più grandi.
Fornito dalla NASA
