Den 4 januari 2019, klockan 04:37 EST lanserades CAPER-2-uppdraget från Andøya Space Center i Andenes, Norge, på en 4-stegs Black Brant XII klingande raket. Att nå en apogee på 480 miles hög innan du plaskar ner i Ishavet, raketen flög genom aktivt norrsken, eller norrsken, att studera vågorna som accelererar elektroner till vår atmosfär.

CAPER-2, förkortning för Cusp Alfvén och Plasma Electrodynamics Rocket-2, är ett klingande raketuppdrag — en typ av rymdfarkost som bär vetenskapliga instrument på kort, riktade resor till rymden innan de faller tillbaka till jorden. Förutom deras relativt låga prislappar och snabba utvecklingstid, sondraketer är idealiska för uppskjutning i övergående händelser – som den plötsliga bildningen av norrsken, eller norrsken.

För CAPER-2-forskare, Att flyga genom ett norrsken ger en titt in i en process lika grundläggande som den är komplex:Hur accelereras partiklar i rymden? NASA studerar detta fenomen i ett försök att bättre förstå inte bara rymdmiljön som omger jorden – och därmed skydda vår teknologi i rymden från strålning – utan också för att hjälpa till att förstå själva naturen hos stjärnor och atmosfärer i hela solsystemet och bortom.

"I hela universum har du laddade partiklar som accelererar - i solens atmosfär, i solvinden, i atmosfären på andra planeter, och i astrofysiska föremål, sa Jim LaBelle, rymdfysiker vid Dartmouth College i Hannover, New Hampshire, och huvudutredare för CAPER-2-uppdraget. "Ett norrsken ger oss ett lokalt laboratorium där vi kan observera dessa accelerationsprocesser nära till hands."

Tekniskt, CAPER-2-teamet är intresserade av vad som händer precis innan ett norrsken börjar glöda. Elektroner, strömmar in i vår atmosfär från rymden, kolliderar med atmosfäriska gaser och utlöser norrskenets glöd. På något sätt, de tar fart längs vägen.

"När de kraschar in i vår atmosfär, dessa elektroner färdas över 10 gånger snabbare än de var tidigare, sa Doug Rowland, rymdfysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som också studerar partikelacceleration. "Vi förstår fortfarande inte den grundläggande fysiken för hur det händer."

CAPER-2-teamet fokuserade på en speciell sorts norrsken som bildas under dagen. Till skillnad från det nattliga norrskenet, norrskenet på dagarna utlöses av elektroner som strömmar in direkt från solen – och vi vet mycket mindre om dem.

"Det har gjorts en enorm mängd forskning om det vanliga norrskenet på natten, men norrskenet under dagtid är mycket mindre studerat, sa Craig Kletzing, rymdfysiker vid University of Iowa i Iowa City och medforskare för uppdraget. "Det finns goda indikationer på att det finns vissa likheter och det finns också vissa skillnader."

Teamet fokuserar på hur elektronerna som skapar norrsken på dagtid trängs runt av vågor, på sätt som kan eller kanske inte skiljer sig från nattliga norrsken. Två typer av vågor är av särskilt intresse, och har motsatta effekter. Alfvén vågar, uppkallad efter svenske Nobelpristagaren Hannes Alfvén som först förutspådde deras existens 1942, tros accelerera elektronerna. Dessa enorma vågor – som mäter tio till hundratals mil långa från topp till topp – fortplantar sig längs jordens magnetfältslinjer, viskar elektroner fram och tillbaka.

På andra sidan finns Langmuir-vågor, som genereras av elektronerna själva — en process som stjäl en del av elektronernas energi och saktar ner dem. CAPER-2 kommer att bära en högupplöst våg-partikelkorrelator för att mäta dem, det första klingande raketuppdraget som gjorde det för norrskenet.

"Detta är mycket dataintensivt, ", sa LaBelle. "Det är unikt för sonande raketer att kunna titta på den här mekanismen i denna detaljnivå."

För lanseringen, CAPER-2-teamet reste till norra Norge, en av de få platser som kan placera en raket inom räckhåll för norrskenet. Varje dag, norra Norge roterar under en öppning i jordens magnetfält som kallas den norra polarkuspen, där partiklar från solen kan tränga in i vår övre atmosfär.

Att möta norrsken precis där de bildas är det bästa sättet att förstå fysiska processer som är alldeles för stora för att replikera i ett labb.

"Det är ett slags naturligt laboratorium, " LaBelle tillade. "Vi tar vårt experiment till två olika miljöer, där variablerna är olika, och sedan testa teorin och svara på frågorna."