En gemensam europeisk-kinesisk rymdfarkost, SMILE är för närvarande planerad att lanseras 2023. Den kommer att placeras i en mycket lutande, elliptisk bana runt jorden, vilket kommer att ta det så långt som 120 000 km från vår planet.

Ett av dess primära mål kommer att vara att observera sambandet mellan sol och jord, särskilt interaktionerna på jordens dagsida mellan solvinden – ett flöde av laddade partiklar som strömmar från solen in i det interplanetära rymden – och vår planets magnetosfär.

Magnetosfären är en osynlig magnetisk bubbla som skyddar planeten från non-stop, men varierande, bombardemang av solpartiklar - främst protoner och elektroner.

SMILE kommer att bära fyra instrument för att observera detta ständigt föränderliga himmelska slagfält:en ljusjonanalysator, en magnetometer, en mjuk röntgenkamera, och en ultraviolett norrskensbildapparat.

Den mjuka röntgenkameran, som är designad för att upptäcka och avbilda lågenergiröntgenstrålar, kommer att observera de yttre delarna av jordens magnetosfär i upp till 40 timmar per omloppsbana.

Dessa regioner inkluderar magnethöljet, som ligger bakom bågchocken, där flödet av solvindspartiklar bromsas dramatiskt, och magnetopausen, som är den yttre gränsen för jordens magnetosfär.

Av särskilt intresse för forskare som förbereder sig för SMILE-uppdraget är tätheten av neutrala väteatomer nära magnetopausen. Det är här signalen vid lågenergiröntgenstrålar, eller mjuk röntgensignal, förväntas nå sin topp.

Röntgenstrålningen genereras när högladdade partiklar från solvinden kolliderar med väteatomer i jordens magnetiska miljö - en process som kallas solvindladdningsutbyte. När vätedensiteten och solvindsflödet är högre än genomsnittet, resultatet är en starkare emission av mjuka röntgenstrålar. Vid sådana tillfällen, SMILE kommer att kunna ge ofta, högupplösta röntgenbilder och filmer av interaktionsregionen.

De resulterande bilderna - de första i sitt slag - kommer att hjälpa forskare att förstå den storskaliga interaktionen mellan den yttre magnetosfären på vår planet och solvinden. Genom att söka efter den mjuka röntgentoppen, SMILE kommer att spåra magnetopausens rörelse och avslöja några av hemligheterna kring hur magnetfältslinjer knäpper och återansluter på global skala.

För att förbättra vår förståelse av vad som händer när laddningsutbytet för solvind sker, forskare i Europa, Kina och USA använder data från satelliter som ESA:s XMM-Newton röntgenobservatorium och Cluster-kvartetten av satelliter som flyger genom jordens magnetosfär. Data gör det möjligt för dem att studera faktiska mjukröntgenmätningar gjorda i rymden nära jorden, och att simulera vad SMILE sannolikt kommer att observera.

Under 2019, Hyunju Connor från University of Fairbanks, Alaska, U.S., och Jennifer Carter, University of Leicester, STORBRITANNIEN, publicerade en artikel i AGU-tidskriften JGR:Space Physics, där de undersöker neutral vätedensitet på avstånd från jorden på cirka 64 000 km – medelavståndet för den subsolära magnetopausen – med hjälp av XMM-Newton-observationer i mjuka röntgenstrålar.

XMM-Newton är ett astrofysikobservatorium utformat för att studera mycket energiska fenomen över hela kosmos, som svarta hål och rester av supernovaexplosioner, som lyser starkt i röntgenstrålar. Satelliten följer en starkt elliptisk, 48 timmars bana runt jorden.

Medan XMM-Newtons mål ligger långt bortom vår planet, siktlinjen för dess röntgenbildare kan ibland passera genom jordens magnetiska hölje på dagen, vilket resulterar i en diffus mjuk röntgenstrålning i observationens förgrund.

Detta utsläpp betraktas vanligtvis som en oönskad förorening av astrofysiker, men det ger en möjlighet för plasmaforskare, som har analyserat dessa uppgifter i många år, för att undersöka solvindladdningsutbyteshändelser i den yttre magnetosfären. Dessa studier visar sig nu vara värdefulla under förberedelserna för SMILE-uppdraget.

I deras tidning, Connor och Carter undersökte 103 tidsvariabla utsläppshändelser från solvindladdningar som astronomer hade upptäckt under nästan 9 år av XMM-Newton-röntgenobservationer. Bland de tio starkaste händelserna, de hittade två händelser den 4 maj 2003 och 16 oktober 2001 för vilka det också fanns magnetosheath-data från rymdfarkosten Cluster och den japanska Geotail-satelliten, samt solvinddata från NASA:s rymdfarkoster ACE och WIND, en del av OMNI-uppdraget.

För dessa evenemang, forskarna jämförde dessa in situ-mätningar med simuleringar genererade med hjälp av en datormodell känd som Open Geospace Global Circulation Model, eller OpenGCCM, som använder solvinddata som indata. In situ-data var avgörande för att verifiera modellens giltighet.

Efter att ha bekräftat en god överensstämmelse mellan den modellerade och observerade densiteten i magnethöljet, forskarna kunde bestämma tätheten av neutrala vätepartiklar nära magnetopausen. De fann att den uppskattade neutrala densiteten var tillräckligt hög för att producera starka mjuka röntgensignaler, bekräftar att SMILE borde ge spännande nya bilder av den dynamiska interaktionen mellan solen och magnetosfären.

Forskarna utför nu statistisk analys av ett bredare urval av XMM-Newton-data, för att uppnå en mer omfattande karakterisering av neutrala vätedensiteter på dagtid, med hänsyn till variationer i solaktiviteten.

Under tiden, ytterligare en uppsats från 2019 i JGR:Space Physics ledd av Tianran Sun från National Space Science Center i Peking, Kina, presenterade simuleringar av den mjuka röntgenstrålningen på magnetopausen på dagtid och cusps under olika solvindförhållanden.

Dessa simuleringar hjälper till att förutsäga beteendet hos ett brett spektrum av fenomen som är relevanta för SMILE:s mjuka röntgenobservationer, såsom förändringar i röntgenflödet eller i magnetopausplatsen, beroende på det inkommande solvindflödet. Parallellt, dessa studier stödjer också utvecklingen av den metod som kommer att användas för att rekonstruera 3D-strukturen och placeringen av magnetopausen från de 2D-bilder som den mjuka röntgenbildaren SMILE kommer att erhålla.