Visualización del entorno marciano que muestra la órbita de Mars Express, así como las observaciones del campo magnético (flechas rojas) muestreadas por la nave espacial MAVEN a lo largo de su órbita. La vista también incluye el mapa simulado de la magnitud del campo magnético en el plano XZ centrado en Marte perpendicular a la órbita del planeta, donde el eje X apunta hacia el Sol, y los vectores de campo magnético simulados a lo largo de las órbitas de las naves espaciales Mars Express y MAVEN (vectores azules). Diferentes regiones y fronteras, como el arco de choque o las regiones del campo de la corteza magnética, se puede identificar en la imagen. Crédito:CNES / IRAP / GFI informatique; LatHyS; 3DView
Una nueva base de datos de simulaciones de plasma, combinado con datos de observación y potentes herramientas de visualización, está proporcionando a los científicos planetarios una forma sin precedentes de explorar algunos de los entornos de plasma más interesantes del Sistema Solar.
Esta historia de exploración espacial digital comienza con el Medio Integrado para la Exploración Planetaria (IMPEx), un proyecto colaborativo para crear un centro de datos común para misiones espaciales.
Si bien las misiones planetarias son cruciales para comprender cómo el viento solar interactúa con las magnetosferas de planetas y lunas en nuestro Sistema Solar, los modelos numéricos son, Sucesivamente, esencial para comprender completamente las mediciones y mejorar nuestro conocimiento de los entornos de plasma planetario.
El proyecto IMPEx reunió a expertos de Austria, Francia, Finlandia y Rusia para encontrar un lenguaje común para combinar datos de varios modelos de simulación y comparar estos resultados numéricos con datos de observación recopilados por misiones espaciales en todo el Sistema Solar.
Fue en este contexto que un grupo liderado por Ronan Modolo en el Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observaciones Spatiales (LATMOS), en Francia, comenzó a desarrollar una colección de simulaciones de plasma en varios cuerpos planetarios. La base de datos Latmos Hybrid Simulation (LatHyS) y sus usos se presentan en un nuevo estudio publicado a principios de este año en un número especial de Ciencia planetaria y espacial .
Modelado de entornos celestes
La base de datos LatHyS incluye una serie de resultados de simulación de plasma, la mezcla de partículas cargadas que impregna el espacio interplanetario, en planetas o cuerpos planetarios seleccionados en nuestro Sistema Solar. Las simulaciones se basan en modelos numéricos avanzados que tienen en cuenta una serie de complejos procesos físicos y químicos en las atmósferas superiores de los objetos celestes. su interacción con el viento solar y su respuesta a la radiación solar.
"Hasta aquí, Los objetos celestes modelados por simulaciones LatHyS incluyen Marte, Mercurio y la luna de Júpiter, Ganimedes, "explica Modolo." Estamos planeando extender esta base de datos a otros objetos como la luna Titán de Saturno y, a largo plazo, a otras lunas de Júpiter, como Europa o Calisto, " él añade.
La base de datos brinda a la comunidad científica planetaria acceso a datos de plasma simulado, incluidos los campos eléctricos y magnéticos, densidad, temperatura y velocidad aparente del plasma. LatHyS, junto con un conjunto de herramientas de visualización y análisis de datos, permite a los investigadores combinar fácilmente datos de varias naves espaciales con resultados de simulación, para crear imágenes en 3-D que muestren cómo el viento solar interactúa con el plasma planetario, y mucho más.
"Con unos pocos clics, el usuario puede obtener una escena tridimensional realista del entorno de plasma en el planeta y de la trayectoria de la nave espacial, con mediciones in situ enriquecidas con resultados de simulación, "dice Dmitri Titov, Científico del proyecto Mars Express de la ESA y usuario de la base de datos, que no participó en el estudio.
"Los usuarios también pueden utilizar esta herramienta para crear animaciones y, en el lado científico, para visualizar las mediciones en el contexto en el que se han realizado y ayudar a planificar futuras observaciones ".
Para mostrar cuán útiles pueden ser LatHyS y sus herramientas de visualización 3-D asociadas para ayudar a comprender los entornos de plasma planetario, Modolo y su equipo presentaron un caso científico en su nuevo estudio centrado en Marte. Utilizaron datos de observación de Mars Express de la ESA, una misión que ha estado explorando el Planeta Rojo desde 2003, sondeando su entorno de plasma con un detalle sin precedentes. También se basaron en datos de un segundo orbitador de Marte equipado con un instrumento de plasma:la Atmósfera de Marte y la Misión de Evolución Volátil de la NASA (MAVEN), que llegó a Marte en 2014 y ha estado estudiando el entorno de plasma del planeta y su interacción con el viento solar en estrecha colaboración con Mars Express desde entonces.
Para el nuevo estudio, los investigadores combinaron y compararon datos de MAVEN y Mars Express con los resultados de la simulación LatHyS. Al combinar las simulaciones con datos de observación y las órbitas de las dos naves espaciales utilizando 3DView, una herramienta de visualización en 3D que también se desarrolló en el marco de IMPEx, pudieron analizar de una nueva forma cómo el viento solar interactúa con la atmósfera superior de Marte. .
Si bien el caso científico se centró en el Planeta Rojo y en las misiones Mars Express y MAVEN, la base de datos se puede utilizar para explorar otros cuerpos en el Sistema Solar, comparar los resultados de la simulación con los datos de observación de otras misiones espaciales.
"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, y, en el 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, among other features. Más 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, published in the same issue of Ciencia planetaria y espacial , 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, Cuando esté disponible, 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, Ganimedes, 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. En 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, JUGO, 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.
