En ny databas med plasmasimuleringar, kombinerat med observationsdata och kraftfulla visualiseringsverktyg, ger planetforskare ett aldrig tidigare skådat sätt att utforska några av solsystemets mest intressanta plasmamiljöer.

Denna digitala rymdutforskningshistoria börjar med det integrerade mediet för planetarisk utforskning (IMPEx), ett samarbetsprojekt för att skapa ett gemensamt datanav för rymduppdrag.

Medan planetuppdrag är avgörande för att förstå hur solvinden interagerar med magnetosfärer på planeter och månar i vårt solsystem, numeriska modeller är, i tur och ordning, viktigt för att fullt ut förstå mätningarna och förbättra vår kunskap om planetariska plasmamiljöer.

IMPEx-projektet samlade experter från Österrike, Frankrike, Finland och Ryssland för att hitta ett gemensamt språk för att kombinera data från olika simuleringsmodeller och för att jämföra dessa numeriska resultat med observationsdata som samlats in av rymduppdrag i solsystemet.

Det var i detta sammanhang som en grupp ledd av Ronan Modolo vid Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), i Frankrike, började utveckla en samling plasmasimuleringar vid olika planetkroppar. Latmos Hybrid Simulation (LatHyS)-databasen och dess användningsområden presenteras i en ny studie som publicerades tidigare i år i ett specialnummer av Planet- och rymdvetenskap .

Modellera himmelska miljöer

LatHyS-databasen innehåller ett antal simuleringsresultat av plasma – blandningen av laddade partiklar som genomsyrar det interplanetära rymden – på utvalda planeter eller planetkroppar i vårt solsystem. Simuleringarna är baserade på avancerade numeriska modeller som tar hänsyn till ett antal komplexa fysikaliska och kemiska processer i de övre atmosfärerna av himmelska objekt, deras interaktion med solvinden och reaktion på solstrålning.

"Än så länge, himmelska objekt modellerade av LatHyS-simuleringar inkluderar Mars, Merkurius och Jupiters måne, Ganymedes, " förklarar Modolo. "Vi planerar att utöka den här databasen till andra objekt som Saturnus måne Titan och, på längre sikt, till andra Jupiters månar, som Europa eller Callisto, " han lägger till.

Databasen ger planetarisk vetenskapsgemenskap tillgång till simulerad plasmadata, inklusive elektriska och magnetiska fält, densitet, temperatur och plasmabulkhastighet. LatHyS, tillsammans med en uppsättning dataanalys- och visualiseringsverktyg, gör det möjligt för forskare att enkelt kombinera data från olika rymdfarkoster med simuleringsresultat, att skapa 3D-bilder som visar hur solvinden interagerar med planetariskt plasma, och mycket mer.

"Med några få klick, användaren kan få en realistisk tredimensionell scen av plasmamiljön på planeten och av rymdfarkostens bana, med mätningar på plats berikade av simuleringsresultat, säger Dmitri Titov, ESA Mars Express-projektforskare och en användare av databasen, som inte var inblandad i studien.

"Användare kan också använda det här verktyget för att skapa animationer och, på den vetenskapliga sidan, att visualisera mätningarna i sammanhanget där de hade utförts och hjälpa till att planera framtida observationer."

För att visa hur användbara LatHyS och dess associerade 3D-visualiseringsverktyg kan vara för att förstå planetariska plasmamiljöer, Modolo och hans team presenterade ett vetenskapligt fall i sin nya studie med fokus på Mars. De använde observationsdata från ESA:s Mars Express, ett uppdrag som har utforskat den röda planeten sedan 2003, undersöker dess plasmamiljö i oöverträffad detalj. De förlitade sig också på data från en andra Mars orbiter utrustad med ett plasmainstrument:NASA:s Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission (MAVEN), som anlände till Mars 2014 och har studerat planetens plasmamiljö och dess interaktion med solvinden i nära samarbete med Mars Express sedan dess.

För den nya studien, forskarna kombinerade och jämförde data från MAVEN och Mars Express med LatHyS-simuleringsresultaten. 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, och, i framtiden, 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. More importantly, 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, Frankrike, 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. Under 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.