De energetische elektronen die het noorderlicht (het noorderlicht) aandrijven, hebben een rijke en zeer dynamische structuur die we momenteel niet volledig begrijpen. Veel van wat we weten over deze elektronen is afkomstig van instrumenten die fundamentele beperkingen hebben in hun vermogen om meerdere energieën met een hoge tijdresolutie te bemonsteren.

Om deze beperkingen te overwinnen gebruikt NASA een innovatieve aanpak om instrumenten te ontwikkelen die onze meetmogelijkheden met meer dan een orde van grootte zullen verbeteren, waardoor een schat aan nieuwe informatie wordt onthuld over de verbazingwekkende natuurkunde die zich binnen het noorderlicht afspeelt.

Typische elektroneninstrumenten zijn afhankelijk van een techniek die elektrostatische afbuiging wordt genoemd, waarbij een spanning moet worden gewijzigd om verschillende energieën van de te meten elektronen te selecteren. Deze instrumenten zijn op veel verschillende ruimtemissies gevlogen en hebben bijna alle in-situ elektronenmetingen verricht die in het noorderlicht zijn uitgevoerd.

Ze werken prima bij het waarnemen op tijdschalen van seconden of zelfs tot ongeveer een tiende van een seconde, maar ze kunnen in principe niet waarnemen op kleinere tijdschalen (milliseconden) vanwege de tijd die nodig is om door spanningen te gaan.

Optische waarnemingen van het noorderlicht vanaf de grond hebben aangetoond dat er snelle ruimtelijke en temporele variaties kunnen optreden die de waarnemingsmogelijkheden van traditionele elektroneninstrumenten te boven gaan. Daarom hebben leden van het Geophysics Laboratory van het Goddard Space Flight Center van NASA een instrument ontwikkeld, de Acute Precipitating Electron Spectrometer (APES) genaamd, dat de elektronenneerslag in het noorderlicht kan meten met een ritme van één milliseconde.

APES gebruikt een sterk magnetisch veld in het instrument om elektronen met verschillende energieën te scheiden op verschillende ruimtelijke gebieden van de detector. Met deze methode kan het instrument het volledige elektronenenergiespectrum gelijktijdig met een zeer hoge snelheid (elke 1 ms) meten.

Bij het ontwerp van APES moest er één grote afweging worden gemaakt. Om de magnetische veldgeometrie goed te laten werken, kan het instrument slechts in één richting waarnemen. Dit concept werkt goed als het doel alleen maar het meten van de neerslaande (neergaande) elektronen in de aurora is die uiteindelijk de atmosfeer raken. We weten echter dat elektronen in de aurora ook in andere richtingen bewegen; in feite bevatten deze elektronen veel informatie over andere fysieke processen die verder weg in de ruimte plaatsvinden.

Om het meten van elektronen in meer dan één richting mogelijk te maken, ontwikkelde het Goddard-team het APES-360-instrumentconcept. Om het APES-360-ontwerp te creëren, heeft het team dezelfde werkingsprincipes gebruikt als in APES, maar deze bijgewerkt om tegemoet te komen aan een multi-look richtingsgeometrie die een gezichtsveld van 360 graden bestrijkt met behulp van 16 verschillende sectoren.

Het team moest verschillende technische uitdagingen overwinnen om het APES-360-concept te ontwikkelen. In het bijzonder moest het elektronische ontwerp veel meer anodes (ladingsdetectieoppervlakken) en de bijbehorende schakelingen op een klein oppervlak huisvesten.

Het APES-360-prototype dat momenteel wordt gebouwd, zal worden getest en gekalibreerd in Goddard en zal in de winter van 2025 op een sonderingsraket naar actieve aurora vliegen. Deze vlucht zal real-life gegevens opleveren vanuit de aurora die zullen worden gebruikt om valideer de prestaties van het instrument en informeer toekomstige ontwerpverbeteringen.

Het APES-360-instrument wordt ontworpen om in een CubeSat-vormfactor te passen, zodat het kan worden gebruikt bij toekomstige CubeSat-missies om de aurora te bestuderen. Het instrument zou uiteindelijk ook op grotere orbitale missies kunnen worden gevlogen.

Geleverd door NASA