Een observatietechniek die meer dan vier decennia geleden voor het eerst werd voorgesteld om de fysieke parameters van de corona te meten die de vorming van de zonnewind bepalen - de bron van verstoringen in de bovenste atmosfeer van de aarde - zal volgend jaar voor het eerst worden gedemonstreerd. Deze parameters zijn de dichtheid, temperatuur, en snelheid van elektronen in de corona.

Nat Gopalswamy en Jeff Newmark, heliofysici bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, plan om BITSE te demonstreren - een afkorting voor het Balloon-borne Investigation of Temperature and Speed ​​of Electrons in the corona - aan boord van een wetenschappelijke ballon op grote hoogte van Ft. zomer, New Mexico, komende herfst.

Een nieuw type coronagraaf

Het wetenschappelijke instrument van de BITSE-missie, waarbij ook het Korea Astronomy and Space Science Institute betrokken is, is een coronagraaf. Deze apparaten blokkeren het heldere oppervlak van de zon om zijn zwakke, maar zeer hete bovenste atmosfeer genaamd de corona.

Echter, de BITSE-coronagraaf heeft functies toegevoegd die enkele zeer belangrijke eigenschappen van de zonnewind kunnen meten, die met een snelheid van wel een miljoen mijl per uur kan reizen terwijl hij van de zon stroomt en geladen deeltjes of plasma en ingebedde magnetische velden naar buiten door het zonnestelsel vervoert. Hoewel wetenschappers weten dat de zonnewind zijn oorsprong vindt in de corona, ze weten niet precies hoe het zich vormt of versnelt.

"Deze vlucht zal de eerste keer zijn dat we een coronagraaf hebben gevlogen om de dichtheid te detecteren, temperatuur en snelheid van elektronen in de corona. Geen enkele coronagraaf heeft dit ooit eerder gedaan, " zei Gopalswamy, die de financiering van het interne onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van Goddard gebruikten om BITSE vooruit te helpen. Volgens hem, eerder gevlogen coronagrafen maten alleen de dichtheid van elektronen in de corona van de zon. "We hebben alle drie de fysieke eigenschappen nodig om te begrijpen hoe zonnewind zich vormt, " hij zei.

Deze vraag is van bijzonder belang voor wetenschappers. De bron van de zonnewind begrijpen, die bepaalt hoe ruimteweer-veroorzakende coronale massa-ejecties, of CME's, voortplanten tussen de zon en de aarde, kan helpen bij het verbeteren van de voorspellingen van het ruimteweer, met name in de omgeving van de aarde waar veranderingen soms radiocommunicatie of GPS kunnen verstoren. Tijdens bijzonder sterke geomagnetische stormen, aangewakkerd door het vrijkomen van tonnen geladen deeltjes tijdens een CME, deeltjes waaruit de zonnewind bestaat, kunnen langs magnetische velden door de beschermende magnetosfeer van de aarde naar het oppervlak stromen, waar ze elektriciteitsnetten en elektronica kunnen verstoren.

Tijdens zijn verblijf 25 mijl boven het aardoppervlak, BITSE zal tot 10 uur besteden aan het in beeld brengen van de corona van de zon. Naast een occulter die het licht van het oppervlak van de zon blokkeert - net zoals de maan het heldere licht blokkeert tijdens een zonsverduistering - heeft BITSE nog twee andere belangrijke technologieën.

Het filterwiel blokkeert alle golflengten van zichtbaar licht, behalve die in vier specifieke banden in het violette bereik-3850, 3987, 4100, en 4233 Angstrom. En de camera, die dienst doet als BITSE's detector, is in staat om direct gepolariseerd licht te verzamelen, dat wil zeggen licht waar de elektrische en magnetische velden in specifieke richtingen oscilleren. Wetenschappers hebben het gepolariseerde licht nodig om de elektroneneigenschappen af ​​te leiden. Omdat de camera gepolariseerd licht kan verzamelen, BITSE heeft geen extra mechanisme nodig om dezelfde taak uit te voeren als bij meer traditionele detectoren.

Samen, deze componenten van de nuttige lading zullen het team in staat stellen een observatietechniek uit te voeren die passband-ratio-beeldvorming wordt genoemd - een benadering die oorspronkelijk in 1976 werd voorgesteld. Deze techniek bepaalt de elektronentemperatuur en -snelheid, samen met de dichtheidsinformatie die coronagrafen traditioneel verzamelen.

Het werkt als volgt:"Het zichtbare licht dat we zien is eigenlijk licht van de zonneschijf dat verstrooid wordt door de elektronen in de zonnewind, " legde Newmark uit. "Deze verstrooiing smeert het licht van de schijf uit, wat eigenlijk heel veel individuele spectraallijnen of golflengten zijn. Als we de juiste golflengten kiezen om naar te kijken, dan vertelt de hoeveelheid versmering ons de temperatuur en snelheid die de elektronen moeten vertonen om het licht op die manier uit te smeren."

"Iedereen kan een filterwiel maken dat is afgestemd op vier individuele zichtbare golflengten, maar we hebben deze technologie samengebracht om ons instrument te laten doen wat we willen dat het doet. Het is cool. Het is de eerste keer dat we dit doen, ' voegde Nieuwmark eraan toe.

Het team is van plan om het volledige BITSE-systeem te testen in de vacuümtankfaciliteit van het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, in het voorjaar van 2019. Echter, Gopalswamy monteerde de polarisatiecamera op een telescoop en verkreeg 50 beelden in alle vier de filters tijdens de totale zonsverduistering die plaatsvond in augustus 2017.

ISS-instrument gezocht

De veldcampagne die de zonsverduistering in beeld bracht, bewees dat de BITSE-camera en filtertechniek werken, maar de ballonvlucht is van cruciaal belang voor het valideren van het systeem in een omgeving in de buurt van de ruimte waar Gopalswamy en Newmark hopen ten minste acht uur aan gegevens te verzamelen, die Gopalswamy vergelijkt met het observeren van 150 zonsverduisteringen.

Echter, het team hoopt dat de ballonmissie niet de laatste hoera voor de coronagraaf zal zijn. "We willen echt een versie van dit instrument op het internationale ruimtestation plaatsen, " zei Newmark. De methodische aanpak van het team, van de eerste veldcampagne die de zonsverduistering in 2017 observeerde tot het ballongevecht in 2019, maakt de weg vrij voor een missie op langere termijn in een lage baan om de aarde, aldus Nieuwmark.

"We kunnen het instrument zes maanden op het station laten vliegen, " Gopalswamy toegevoegd. "Letterlijk, we gaan van minuten, tot uur, maanden aan het verzamelen van deze broodnodige zonnewindparameters die zullen worden gebruikt in onze ruimteweermodellen."