Aurora Boreale: Svelare i Segreti delle Incredibili Luci del Nord
L'aurora boreale, con i suoi giochi di luce mozzafiato, è un fenomeno da sempre ammirato, ma ancora misterioso per molti aspetti.
Gli elettroni che alimentano questo spettacolo naturale possiedono una struttura dinamica e complessa che non riusciamo ancora a comprendere appieno.
La maggior parte delle nostre conoscenze su questi elettroni proviene da strumenti con limitazioni intrinseche nella capacità di campionare simultaneamente più livelli di energia e con un'alta risoluzione temporale. Per superare queste difficoltà, la NASA sta sviluppando una tecnologia innovativa che aumenterà le nostre capacità di misurazione di oltre un ordine di grandezza, rivelandoci un tesoro di nuove informazioni sulla sorprendente fisica che si svolge all'interno dell'aurora.
Limiti degli strumenti tradizionali
Gli strumenti elettronici standard si basano su una tecnica chiamata deflessione elettrostatica, che richiede la variazione di un voltaggio per selezionare e misurare diverse energie degli elettroni. Questi strumenti, utilizzati in molte missioni spaziali, hanno fornito quasi tutte le misurazioni di elettroni "in situ" effettuate all'interno dell'aurora.
Funzionano benissimo per osservazioni su scale temporali di secondi o persino di un decimo di secondo, ma a causa del tempo necessario per variare i voltaggi, non possono scendere a scale temporali più piccole (millisecondi).
Una nuova visione con APES
Le osservazioni ottiche a terra dell'aurora hanno mostrato rapide variazioni spaziali e temporali che superano le capacità di osservazione dei tradizionali strumenti elettronici. Per questo motivo, il team del Geophysics Laboratory presso il Goddard Space Flight Center della NASA ha 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 interno per separare gli elettroni con energie diverse su diverse regioni spaziali del rilevatore. Questo metodo consente allo strumento di misurare l'intero spettro di energia degli elettroni simultaneamente a un ritmo molto elevato (ogni 1 ms).
APES-360: Vedere l'Aurora a 360 gradi
Tuttavia, nella progettazione di APES è stato necessario fare un compromesso significativo. Affinché la geometria del campo magnetico funzioni correttamente, lo strumento può osservare solo in una direzione. Questo concetto funziona bene se l'obiettivo è misurare solo gli elettroni precipitanti (discendenti) nell'aurora che finiscono per colpire l'atmosfera.
Sappiamo però che gli elettroni nell'aurora si muovono anche in altre direzioni, e di fatto contengono molte informazioni su altri processi fisici che avvengono più lontano nello spazio.
Per consentire la misurazione di elettroni in più direzioni, il team di Goddard ha sviluppato il concetto dello strumento APES-360. Questo nuovo design mantiene i principi operativi di APES, ma li aggiorna per accogliere una geometria multi-direzionale che copre un campo di vista di 360 gradi utilizzando 16 settori diversi.
Sfide tecniche e futuri voli
Il team ha dovuto superare diverse sfide tecniche per sviluppare il concetto APES-360. In particolare, la progettazione elettronica ha dovuto tenere conto di un numero molto maggiore di anodi (superfici di rilevamento della carica) e dei circuiti associati in una piccola area.
Il prototipo APES-360 attualmente in costruzione verrà testato e calibrato presso il Goddard e volerà su un razzo sonda nell'aurora attiva nell'inverno del 2025. Questo volo fornirà dati reali dall'interno dell'aurora che saranno utilizzati per validare le prestazioni dello strumento e informare futuri miglioramenti del design.
Un futuro pieno di CubiSat
Lo strumento APES-360 è in fase di progettazione per adattarsi a un fattore di forma CubeSat, in modo da poter essere utilizzato in future missioni CubeSat per studiare l'aurora. Lo strumento potrebbe anche essere utilizzato su missioni orbitali più grandi.
FONTE: https://science.nasa.gov/science-research/science-enabling-technology/making-ultra-fast-electron-measurements-in-multiple-directions-to-reveal-the-secrets-of-the-aurora/
