Een gezamenlijk Europees-Chinees ruimtevaartuig, SMILE staat momenteel gepland voor lancering in 2023. Het zal worden geplaatst in een zeer hellende, elliptische baan rond de aarde, die het tot 120 000 km van onze planeet zal brengen.

Een van de belangrijkste doelstellingen zal zijn om de verbinding tussen zon en aarde te observeren, vooral de interacties aan de dagzijde van de aarde tussen de zonnewind - een stroom geladen deeltjes die van de zon naar de interplanetaire ruimte stroomt - en de magnetosfeer van onze planeet.

De magnetosfeer is een onzichtbare magnetische bel die de planeet afschermt van de non-stop, maar variabel, bombardement van zonnedeeltjes, voornamelijk protonen en elektronen.

SMILE zal vier instrumenten bij zich hebben om dit steeds veranderende hemelse slagveld te observeren:een lichtionanalysator, een magnetometer, een zachte röntgencamera, en een ultraviolet aurora imager.

De zachte röntgencamera, die is ontworpen om röntgenstralen met lage energie te detecteren en af ​​te beelden, zal de buitenste regionen van de magnetosfeer van de aarde tot 40 uur per baan observeren.

Deze regio's omvatten de magnetosheath, die achter de boegschok ligt, waar de stroom van zonnewinddeeltjes dramatisch wordt vertraagd, en de magnetopauze, dat is de buitenste grens van de magnetosfeer van de aarde.

Van bijzonder belang voor wetenschappers die zich voorbereiden op de SMILE-missie is de dichtheid van neutrale waterstofatomen nabij de magnetopauze. Dit is waar het signaal bij lage-energetische röntgenstralen, of zacht röntgensignaal, zal naar verwachting zijn hoogtepunt bereiken.

De röntgenstralen worden gegenereerd wanneer sterk geladen deeltjes van de zonnewind botsen met waterstofatomen in de magnetische omgeving van de aarde - een proces dat bekend staat als ladingsuitwisseling door zonnewind. Wanneer de waterstofdichtheid en de zonnewindstroom hoger zijn dan gemiddeld, het resultaat is een sterkere emissie van zachte röntgenstralen. Op zulke momenten, SMILE kan frequente, röntgenfoto's en films met hoge resolutie van het interactiegebied.

De resulterende afbeeldingen - de eerste in hun soort - zullen wetenschappers helpen de grootschalige interacties tussen de buitenste magnetosfeer van onze planeet en de zonnewind te begrijpen. Door te zoeken naar de zachte röntgenpiek, SMILE zal de beweging van de magnetopauze volgen en enkele van de geheimen onthullen van hoe magnetische veldlijnen op wereldschaal klikken en opnieuw verbinden.

Om ons begrip te verbeteren van wat er gebeurt als het uitwisselingsproces van de zonnewindlading plaatsvindt, wetenschappers in Europa, China en de Verenigde Staten gebruiken gegevens van satellieten zoals ESA's XMM-Newton röntgenobservatorium en het Cluster-kwartet van satellieten die door de magnetosfeer van de aarde vliegen. De gegevens stellen hen in staat om werkelijke zachte röntgenmetingen te bestuderen die zijn gemaakt in de ruimte nabij de aarde, en om te simuleren wat SMILE waarschijnlijk zal waarnemen.

in 2019, Hyunju Connor van de Universiteit van Fairbanks, Alaska, ONS., en Jennifer Carter, Universiteit van Leicester, VK, publiceerde een paper in het AGU-tijdschrift JGR:Space Physics, waarin ze neutrale waterstofdichtheid onderzoeken op afstanden van de aarde van ongeveer 64.000 km - de gemiddelde afstand van de subsolaire magnetopauze - met behulp van XMM-Newton-waarnemingen in zachte röntgenstralen.

XMM-Newton is een astrofysisch observatorium ontworpen om zeer energetische fenomenen in de kosmos te bestuderen, zoals zwarte gaten en overblijfselen van supernova-explosies, die helder schijnen in röntgenstralen. De satelliet volgt een zeer elliptische, 48-uurs baan rond de aarde.

Hoewel de doelen van XMM-Newton ver buiten onze planeet liggen, de gezichtslijn van zijn röntgenfotografen kan soms door de magnetosheath aan de dagzijde van de aarde gaan, resulterend in een diffuse zachte röntgenstraling op de voorgrond van de waarneming.

Deze emissie wordt door astrofysici doorgaans als een ongewenste verontreiniging beschouwd, maar het biedt een kans voor plasmawetenschappers, die deze gegevens al vele jaren analyseren, om zonnewind ladinguitwisselingsgebeurtenissen in de buitenste magnetosfeer te onderzoeken. Deze onderzoeken bewijzen nu hun waarde tijdens de voorbereidingen voor de SMILE-missie.

In hun krant Connor en Carter onderzochten 103 in de tijd variabele emissie-emissiegebeurtenissen van zonnewindladingen die astronomen hadden gedetecteerd gedurende bijna 9 jaar XMM-Newton röntgenwaarnemingen. Onder de top 10 sterkste evenementen, zij vonden op 4 mei 2003 en 16 oktober 2001 twee voorvallen waarvoor ook magnetoschedegegevens beschikbaar waren van het Cluster-ruimtevaartuig en de Japanse Geotail-satelliet, evenals zonnewindgegevens van NASA's ACE- en WIND-ruimtevaartuigen, onderdeel van de OMNI-missie.

Voor deze evenementen is de wetenschappers vergeleken deze in situ metingen met simulaties gegenereerd met behulp van een computermodel dat bekend staat als het Open Geospace Global Circulation Model, of OpenGCCM, die zonnewindgegevens als invoer gebruikt. De in situ gegevens waren cruciaal om de validiteit van het model te verifiëren.

Na bevestiging van een goede overeenkomst tussen de gemodelleerde en waargenomen dichtheid in de magnetoschacht, de wetenschappers waren in staat om de dichtheid van neutrale waterstofdeeltjes in de buurt van de magnetopauze te bepalen. Ze ontdekten dat de geschatte neutrale dichtheid hoog genoeg was om sterke zachte röntgensignalen te produceren, bevestigt dat SMILE opwindende nieuwe beelden zou moeten opleveren van de dynamische interactie tussen de zon en de magnetosfeer.

De wetenschappers voeren nu statistische analyses uit op een grotere steekproef van XMM-Newton-gegevens, om een ​​meer omvattende karakterisering van dagzijdige neutrale waterstofdichtheden te bereiken, rekening houdend met variaties in zonneactiviteit.

In de tussentijd, nog een paper uit 2019 in JGR:Space Physics onder leiding van Tianran Sun van het National Space Science Center in Beijing, China, presenteerde simulaties van de zachte röntgenstraling op de magnetopauze aan de dagzijde en de knobbels onder verschillende zonnewindomstandigheden.

Deze simulaties helpen bij het voorspellen van het gedrag van een breed scala aan fenomenen die relevant zijn voor SMILE's waarnemingen van zachte röntgenbeelden, zoals veranderingen in de röntgenflux of in de locatie van de magnetopauze, afhankelijk van de inkomende zonnewindflux. parallel, deze studies ondersteunen ook de ontwikkeling van de methodologie die zal worden gebruikt om de 3D-structuur en locatie van de magnetopauze te reconstrueren op basis van de 2D-beelden die de SMILE zachte röntgencamera zal verkrijgen.