Los energéticos electrones que impulsan la aurora boreal (la aurora boreal) tienen una estructura rica y muy dinámica que actualmente no comprendemos del todo. Gran parte de lo que sabemos sobre estos electrones proviene de instrumentos que tienen limitaciones fundamentales en su capacidad para muestrear múltiples energías con alta resolución temporal.
Para superar estas limitaciones, la NASA está utilizando un enfoque innovador para desarrollar instrumentación que mejorará nuestras capacidades de medición en más de un orden de magnitud, revelando una gran cantidad de nueva información sobre la asombrosa física que ocurre dentro de la aurora.
Los instrumentos electrónicos típicos se basan en una técnica llamada deflexión electrostática, que requiere cambiar un voltaje para seleccionar diferentes energías de electrones para medir. Estos instrumentos han volado en muchas misiones espaciales diferentes y han proporcionado casi todas las mediciones de electrones in situ realizadas dentro de la aurora.
Funcionan muy bien cuando observan en escalas de tiempo de segundos o incluso hasta alrededor de una décima de segundo, pero fundamentalmente no pueden observar en escalas de tiempo más pequeñas (milisegundos) debido al tiempo que lleva recorrer los voltajes.
Las observaciones ópticas terrestres de la aurora han demostrado que puede haber variaciones espaciales y temporales rápidas que están más allá de las capacidades de observación de los instrumentos electrónicos tradicionales. Por lo tanto, miembros del Laboratorio de Geofísica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA desarrollaron un instrumento llamado Espectrómetro de Electrones de Precipitación Aguda (APES) que puede medir la precipitación de electrones dentro de la aurora con una cadencia de un milisegundo.
APES utiliza un fuerte campo magnético dentro del instrumento para separar electrones con diferentes energías en diferentes regiones espaciales del detector. Este método permite que el instrumento mida todo el espectro de energía de los electrones simultáneamente a una velocidad muy alta (cada 1 ms).
En el diseño de APES hubo que hacer una concesión importante. Para que la geometría del campo magnético funcione correctamente, el instrumento sólo puede observar en una dirección. Este concepto funciona bien si el objetivo es simplemente medir los electrones que precipitan (descienden) en la aurora y que finalmente golpean la atmósfera. Sin embargo, sabemos que los electrones de la aurora también se mueven en otras direcciones; de hecho, estos electrones contienen mucha información sobre otros procesos físicos que ocurren más lejos en el espacio.
Para permitir la medición de electrones en más de una dirección, el equipo de Goddard desarrolló el concepto de instrumento APES-360. Para crear el diseño de APES-360, el equipo empleó los mismos principios operativos utilizados en APES, pero los actualizó para acomodar una geometría de dirección de múltiples miradas que cubre un campo de visión de 360 grados utilizando 16 sectores diferentes.
El equipo tuvo que superar varios desafíos técnicos para desarrollar el concepto APES-360. En particular, el diseño electrónico tenía que acomodar muchos más ánodos (superficies de detección de carga) y los circuitos asociados en un área pequeña.
El prototipo APES-360 que se está construyendo actualmente será probado y calibrado en Goddard y volará en un cohete sonda hacia una aurora activa en el invierno de 2025. Este vuelo proporcionará datos de la vida real desde el interior de la aurora que se utilizarán para validar el rendimiento del instrumento e informar futuras mejoras de diseño.
El instrumento APES-360 está siendo diseñado para encajar en un factor de forma CubeSat para que pueda usarse en futuras misiones CubeSat para estudiar la aurora. En última instancia, el instrumento también podría volar en misiones orbitales más grandes.
Proporcionado por la NASA
