Een nieuwe database met plasmasimulaties, gecombineerd met observatiegegevens en krachtige visualisatietools, biedt planetaire wetenschappers een ongekende manier om enkele van de meest interessante plasma-omgevingen van het zonnestelsel te verkennen.

Dit verhaal over digitale ruimteverkenning begint met het Integrated Medium for Planetary Exploration (IMPEx), een samenwerkingsproject om een ​​gemeenschappelijke datahub voor ruimtemissies te creëren.

Hoewel planetaire missies cruciaal zijn om te begrijpen hoe de zonnewind interageert met de magnetosferen van planeten en manen in ons zonnestelsel, numerieke modellen zijn, beurtelings, essentieel om de metingen volledig te begrijpen en onze kennis van planetaire plasma-omgevingen te verbeteren.

Het IMPEx-project bracht experts uit Oostenrijk, Frankrijk, Finland en Rusland om een ​​gemeenschappelijke taal te vinden om gegevens van verschillende simulatiemodellen te combineren en om deze numerieke resultaten te vergelijken met waarnemingsgegevens die zijn verzameld door ruimtemissies in het hele zonnestelsel.

Het was in deze context dat een groep onder leiding van Ronan Modolo van het Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observaties Spatiales (LATMOS), In Frankrijk, begonnen met het ontwikkelen van een verzameling plasmasimulaties bij verschillende planetaire lichamen. De Latmos Hybrid Simulation (LatHyS)-database en het gebruik ervan worden gepresenteerd in een nieuwe studie die eerder dit jaar is gepubliceerd in een speciale uitgave van Planetaire en ruimtewetenschap .

Hemelse omgevingen modelleren

De LatHyS-database bevat een aantal simulatieresultaten van plasma - het mengsel van geladen deeltjes dat de interplanetaire ruimte doordringt - op geselecteerde planeten of planetaire lichamen in ons zonnestelsel. De simulaties zijn gebaseerd op geavanceerde numerieke modellen die rekening houden met een aantal complexe fysische en chemische processen in de bovenste atmosferen van hemellichamen, hun interactie met de zonnewind en reactie op zonnestraling.

"Tot dusver, hemellichamen gemodelleerd door LatHyS-simulaties omvatten Mars, Mercurius en de maan van Jupiter, Ganymedes, " legt Modolo uit. "We zijn van plan deze database uit te breiden naar andere objecten zoals Saturnusmaan Titan en, op langere termijn, naar andere manen van Jupiter, zoals Europa of Callisto, " hij voegt toe.

De database geeft de planetaire wetenschappelijke gemeenschap toegang tot gesimuleerde plasmagegevens, inclusief elektrische en magnetische velden, dichtheid, temperatuur en plasmabulksnelheid. LatHyS, samen met een reeks tools voor gegevensanalyse en visualisatie, stelt onderzoekers in staat om eenvoudig gegevens van verschillende ruimtevaartuigen te combineren met simulatieresultaten, om 3D-beelden te maken die laten zien hoe de zonnewind interageert met planetair plasma, en nog veel meer.

"Met een paar klikken de gebruiker kan een realistische driedimensionale scène krijgen van de plasmaomgeving op de planeet en van het traject van het ruimtevaartuig, met in-situ metingen verrijkt met simulatieresultaten, " zegt Dmitri Titov, ESA Mars Express-projectwetenschapper en gebruiker van de database, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"Gebruikers kunnen deze tool ook gebruiken om animaties te maken en, aan de wetenschappelijke kant, om de metingen te visualiseren in de context waarin ze zijn uitgevoerd en te helpen bij het plannen van toekomstige waarnemingen."

Om te laten zien hoe nuttig LatHyS en de bijbehorende 3D-visualisatietools kunnen zijn bij het helpen begrijpen van planetaire plasma-omgevingen, Modolo en zijn team presenteerden een wetenschappelijke casus in hun nieuwe studie gericht op Mars. Ze gebruikten waarnemingsgegevens van ESA's Mars Express, een missie die sinds 2003 de Rode Planeet verkent, zijn plasma-omgeving in ongekend detail aftasten. Ze vertrouwden ook op gegevens van een tweede Mars-orbiter uitgerust met een plasma-instrument:NASA's Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission (MAVEN), die in 2014 bij Mars aankwam en sindsdien de plasma-omgeving van de planeet en de interactie met de zonnewind bestudeert in nauwe samenwerking met Mars Express.

Voor de nieuwe studie de onderzoekers combineerden en vergeleken gegevens van MAVEN en Mars Express met de LatHyS-simulatieresultaten. By combining the simulations with observational data and the orbits of the two spacecraft using 3DView – a 3-D visualisation tool that was also developed in the framework of IMPEx – they could analyse in a new way how the solar wind interacts with the Mars upper atmosphere.

While the science case focused on the Red Planet and on the Mars Express and MAVEN missions, the database can be used to explore other bodies in the Solar System, comparing simulation results with observation data from other space missions.

"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, Mercury, and Ganymede, " says Modolo.

This includes ESA's Rosetta, which flew by Mars in 2007 on its way to Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, and, in the future, 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. Belangrijker, 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, Frankrijk, published in the same issue of Planetary and Space Science , 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, when available, observations at all celestial objects in the Solar System explored by space missions equipped with plasma instruments, " says Génot.

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. In 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, JUICE, 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.