De energiska elektronerna som driver norrskenet (norrskenet) har en rik och mycket dynamisk struktur som vi för närvarande inte helt förstår. Mycket av det vi vet om dessa elektroner kommer från instrument som har grundläggande begränsningar i sin förmåga att sampla flera energier med hög tidsupplösning.
För att övervinna dessa begränsningar använder NASA ett innovativt tillvägagångssätt för att utveckla instrumentering som kommer att förbättra våra mätmöjligheter med mer än en storleksordning – och avslöjar en mängd ny information om den fantastiska fysiken som händer inom norrskenet.
Typiska elektroninstrument förlitar sig på en teknik som kallas elektrostatisk avböjning, som kräver att en spänning ändras för att välja olika energier av elektroner att mäta. Dessa instrument har flugits på många olika rymduppdrag och har tillhandahållit nästan alla in-situ elektronmätningar inuti norrskenet.
De fungerar utmärkt när de observerar på tidsskalor på sekunder eller till och med ner till runt en tiondels sekund, men de kan i princip inte observera ner till mindre (millisekunder) tidsskalor på grund av den tid det tar att svepa igenom spänningar.
Markbaserade optiska observationer av norrsken har visat att det kan finnas snabba rumsliga och tidsmässiga variationer som ligger utanför observationsförmågan hos traditionella elektroninstrument. Därför utvecklade medlemmar av Geophysics Laboratory vid NASA:s Goddard Space Flight Center ett instrument som heter Acute Precipitating Electron Spectrometer (APES) som kan mäta elektronutfällning i norrsken med en kadens på en millisekund.
APES använder ett starkt magnetfält inuti instrumentet för att separera elektroner med olika energier till olika rumsliga områden av detektorn. Denna metod gör att instrumentet kan mäta hela elektronenergispektrumet samtidigt med en mycket hög hastighet (var 1 ms).
I utformningen av APES måste en stor avvägning göras. För att magnetfältsgeometrin ska fungera korrekt kan instrumentet bara observera i en riktning. Detta koncept fungerar bra om målet bara är att mäta de utfällande (nedåtgående) elektronerna i norrskenet som i slutändan träffar atmosfären. Vi vet dock att elektroner i norrskenet också rör sig i andra riktningar; i själva verket innehåller dessa elektroner mycket information om andra fysiska processer som sker längre ut i rymden.
För att möjliggöra mätning av elektroner i mer än en riktning utvecklade Goddard-teamet instrumentkonceptet APES-360. För att skapa APES-360-designen använde teamet samma driftsprinciper som används i APES, men uppdaterade dem för att passa en multi-look riktningsgeometri som täcker ett 360-graders synfält med 16 olika sektorer.
Teamet var tvungen att övervinna flera tekniska utmaningar för att utveckla APES-360-konceptet. I synnerhet var elektronikdesignen tvungen att rymma många fler anoder (laddningsdetekterande ytor) och tillhörande kretsar på ett litet område.
APES-360-prototypen som för närvarande byggs kommer att testas och kalibreras vid Goddard och kommer att flyga på en sondraket in i aktivt norrsken under vintern 2025. Denna flygning kommer att tillhandahålla verkliga data inifrån norrskenet som kommer att användas för att validera instrumentets prestanda och informera framtida designförbättringar.
APES-360-instrumentet designas för att passa in i en CubeSat-formfaktor så att det kan användas på framtida CubeSat-uppdrag för att studera norrsken. Instrumentet skulle också i slutändan kunna flygas på större orbitaluppdrag.
Tillhandahålls av NASA
