De zonnewind meten: beter, sneller

Ruimtefysica
In de context van het THOR-ruimtemissievoorstel hebben IRAP (Toulouse) en het BIRA het snelste en meest nauwkeurige instrument voor zonnewindmetingen ontworpen. Het BIRA bedacht de “beam tracking”-strategie die dit instrument zo innovatief maakt. Simulaties demonstreren dat deze strategie toelaat om snel (< 100 ms) gegevens te verkrijgen van snelheidsverdelingen van de deeltjes in de zonnewind met een hoge hoek- (1.5°) en energieresolutie (<7%), zonder de deeltjesbundel uit het oog te verliezen. Spijtig genoeg werd THOR uiteindelijk niet geselecteerd voor implementatie. Het instrument blijft voorlopig nog een droom.

Bundelvolgen

Ruimteplasma-spectrometers meten het aantal deeltjes aanwezig in de ruimte en hun individuele snelheden (grootte en richting). Daaruit kan men de snelheidsverdelingsfunctie van de deeltjes reconstrueren (VDF). Deze is essentieel voor elk wetenschappelijk onderzoek van de omgeving in de ruimte. Plasmaspectrometers steunen gewoonlijk op de rotatie van het ruimtetuig rond zijn eigen as om deeltjes op te vangen vanuit alle richtingen. Die beperking kan omzeild worden door elektrostatische deflectoren aan de opening van het instrument te plaatsen. De bediening van zo’n instrument kan dan geoptimaliseerd worden door het gebruik van de ‘bundelvolger’-strategie. Bij het bundelvolgen steunt men op de voorgaande metingen om te voorspellen vanuit welke richting de deeltjes zullen komen, en men focust enkel daarop om de snelheidsverdeling op het volgende tijdstip te meten.

Toepassing op de zonnewind

Bundelvolgen is perfect voor het meten van de zonnewind: de zonnewind komt van slechts een deel van de hemel en heeft een beperkt energiebereik, hoewel de gemiddelde energie en richting wel aanzienlijk kunnen veranderen. Vanop een platform dat steeds naar de Zon gericht is kan een spectrometer de VDF van de zonnewind bekomen met een snelheid die enkel door de technologie beperkt wordt.

Als onderdeel van de A-Fase-studie voor de THOR-missie (een kandidaat voor de Cosmic Vision M4 missie in het het ESA wetenschapsprogramma) heeft het BIRA – in samenwerking met IRAP (Toulouse) – de CSW zonnewindspectrometer ontwikkeld, een instrument met ongeziene capaciteiten. Het BIRA heeft de ‘bundelvolger’-strategie bedacht die het instrument zo innoverend maakt. Een softwaresimulator werd gebruikt om het ontwerp uit te testen, en om aan te tonen dat bundelvolgen ervoor zorgt dat VDF’s met een hoge hoeks-(1.5°) en energieresolutie (<7%) op sneltempo (< 100 ms) bekomen kunnen worden, maar dat het instrument tegelijk in staat is om goed te herstellen van een mogelijke situatie waarin het de deeltjesbundel uit het oog verliest.

Perspectieven

De voordelen van het bundelvolgen zijn het sneller verkrijgen van VDF’s voor een gegeven hoeks- en energieresolutie, of het verkrijgen van een hogere hoeks- en energieresolutie binnen een gegeven tijdsbestek. Aangezien het zeer goed geschikt is voor het meten van de zonnewind zou CSW of een gelijkaardig instrument ideaal zijn voor het monitoren van het ruimteweer. Spijtig genoeg werd de THOR-missie niet geselecteerd voor implementatie, en zal het instrument niet gebouwd worden – althans nog niet.

Wil je meer weten?

  • Cara, A., Lavraud, B., Fedorov, A., De Keyser, J., DeMarco, R., Marcucci, M.F., Valentini, F., Servidio, S., Bruno, R. (2017). Electrostatic analyzer design for solar wind proton measurements with high temporal, energy, and angular resolutions: Solar Wind Ion Instrument. Journal of Geophysical Research: Space Physics. https://doi.org/10.1002/2016JA023269
  • De Keyser, J., Lavraud, B., Přech, L., Neefs, E., Berkenbosch, S., Beeckman, B., Fedorov, A., Marcucci, M.F., De Marco, R., Brienza, D. (2018). Beam tracking strategies for fast acquisition of solar wind velocity distribution functions with high energy and angular resolutions. Annales Geophysicae, 36(5), 1285–1302. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1285-2018 ​Open Access​
Simulatie van plasmametingen van de zonnewind op een ronddraaiend ruimtetuig met behulp van de bundelvolger-strategie.
Simulatie van plasmametingen van de zonnewind op een ronddraaiend ruimtetuig met behulp van de bundelvolger-strategie: (a) en (b) energiespectra van de gesimuleerde en gemeten zonnewind; (c) energie als een functie van tijd, waarbij de blauwe lijn de ware zonnewindwaarde vertegenwoordigt, de magenta cirkels en driehoeken het midden en de grenzen van het geanalyseerde energiegebied aangeven, en de rode diamanten de gemiddelde energie geven zoals bepaald door de spectrometer; (d) azimut; (e) hoogte; (f) spinfase; (g) dichtheid; (h, i) snelheid in het referentiekader van het ruimtetuig (x-as die naar de zon wijst, ruimtetuig dat in het y-z-vlak ronddraait) en (j) temperatuur; (x) energieverhoging, (y) energie-azimuth en (z) azimuth-elevatieprojecties van de VDF aan het einde van de simulatie.

Klik op movie 1 (.mp4) en movie 2 (.mp4) om het metingsproces te bekijken.