CAPER-2 onderzoekt in het Noorderlicht de plasma golven die elektronen acceleratie veroorzaken

Op 4 januari j.l. vroeg in de morgen werd de CAPER-2 gelanceerd vanaf het Andøya ruimtevaartcentrum te Andenes, Noorwegen. CAPER-2 staat voor Cusp Alfvén and Plasma Electrodynamics Rocket-2′ en is een sondeerraket missie, een raket die wetenschappelijke instrumenten draagt tot enkele honderden kilometers hoogte, daar kort verblijft voor de metingen en vervolgens terug op aarde valt of zoals in dit geval in de Noordelijke IJszee. De  raket, een Canadese Black Brant XII sondeerraket, bereikte een apogeum van 720 km, vloog door een actieve ‘dag’ aurora borealis of noorderlicht bij dag, om plasma golven, de Alfvén en Langmuir, te meten die de elektronen in onze atmosfeer accelereren.

Magnetosfeer aarde met noord en zuid polaire cusp regio’s, artistieke impressie credits; Andøya Space Center Trond Abrahamsen

De CAPER-2 missie maakt deel uit van het internationale Grand Challenge Initiative-CUSP programma en bestaat uit acht wetenschappelijk missies met sondeerraketten. Wetenschappers van NASA, JAXA, het Noorse Andøya Space Center, Universiteit van Iowa, Dartmouth, Oslo, Alaska e.v.a. werken eraan mee. Het doel van het gehele GCI-CUSP programma (2018-2019) is om een beter inzicht te krijgen in de fundamentele fysica van de geladen deeltjesneerslag in de ionosfeer die specifiek is voor de zogeheten geomagnetische ‘cusp’ regio. Boven het noorden van Noorwegen en over een deel van de Noordelijke IJszee,  bevindt zich een magnetische soort trechtervorm, bekend als de ‘cusp’ (lett. knobbel of een puntig uiteinde waar  twee bochten samenkomen₎, dit deel van de aardse magnetosfeer daalt in deze omgeving naar binnen, waardoor geladen deeltjes als door een trechter richting de planeet gaan. Voor de CAPER-2 wetenschappers ging het om de vraag; Hoe worden de geladen deeltjes in de ruimte geaccelereerd? Een aurora representeert een lokaal laboratorium waar de onderzoekers deze acceleratieprocessen van dichtbij kunnen observeren. Daar dit soort missies relatief goedkoop zijn en snel op te tuigen zijn sondeerraketten en wetenschappelijke missies een ideale combinatie om zoals in dit geval vluchtige fenomenen als het noorderlicht te onderzoeken. Deze kennis is ook zeer van belang voor vluchtnavigatie en communicatie rondom de poolgebieden waar actieve zonneactiviteit radio signalen kan verstoren.

Ruimtevaartorganisaties bestuderen dit fenomeen al jaren intensief om in zijn algemeen de technologie in de ruimte te beschermen tegen straling rondom de aarde maar ook ver daarbuiten. “Door het hele universum heb je acceleratie van geladen deeltjes – in de zonnewind en in de atmosfeer van andere planeten’, aldus Jim LaBelle, astrofysicus aan het Dartmouth College in Hanover, New Hampshire, en hoofdonderzoeker voor de CAPER-2-missie. “Een aurora biedt ons een lokaal laboratorium waar we deze acceleratieprocessen van dichtbij kunnen observeren.” Vanuit een technisch oogpunt gezien is het CAPER-2-team vooral geïnteresseerd in wat er gebeurt vlak voordat een poollicht begint te gloeien, elektronen stromen vanuit de ruimte in onze atmosfeer, botsen tegen atmosferische gassen en activeren de glans van de aurora. Op de een of andere manier nemen ze onderweg de snelheid op.” Tegen de tijd dat de elektronen botsen in de aardse atmosfeer bewegen ze zich tien keer sneller dan daarvoor. Doug Rowland, astrofysicus van NASA’s Goddard Space Flight Center* zegt hierover; “We hebben nog steeds geen goed inzicht in de fundamentele fysica die hieraan ten grondslag ligt.” Het team bestudeert vooral het noorderlicht bij dag. In tegenstelling tot de nachtelijke aurora, wordt de dag aurora getriggerd door elektronen die rechtstreeks uit de zon stromen – en men weet veel minder over dit verschijnsel. De focus ligt vooral op hoe de elektronen die dag aurora’s creëren door plasma golven worden rondgeslingerd, op manieren die al dan niet verschillen van nachtelijke aurora’s.

Twee soorten plasma golven zijn van speciaal belang en hebben tegengestelde effecten. Alfvén-golven, vernoemd naar de Zweedse Nobelprijswinnaar Hannes Alfvén die voor het eerst hun bestaan voorspelde in 1942, waarvan onderzoekers denken dat ze een rol spelen bij de versnelling van elektronen. Deze enorme golven – van tientallen tot honderden kilometers lang van piek tot piek – planten zich voort langs de magnetische veldlijnen van de aarde en zwiepen elektronen heen en weer. Aan de andere kant zijn er de golven van Langmuir*, die worden gegenereerd door de elektronen zelf – een proces dat een deel van de energie van de elektronen ‘steelt’ en ze vertraagt. CAPER-2 is met een hoge resolutie wave-particle correlator (een golfdeeltjes-correlator is een instrument dat een directe correlatie van de aankomsttijden van elektronen met de fase van het hoogfrequente golfveld uitvoert) uitgerust voor metingen, de eerste raketmissie om dit te doen in een dag aurora.  Voor de lancering reisde het CAPER-2-team naar Noord-Noorwegen, een van de weinige plaatsen waar een raket kan worden geplaatst binnen bereik van de dag aurora. Elke dag roteert Noord-Noorwegen onder deze polaire trechter, waar geladen deeltjes van de zon naar onze bovenste atmosfeer kunnen stromen. LaBelle: “We nemen ons experiment mee naar twee verschillende omgevingen, waar de variabelen verschillend zijn om vervolgens onze theorieën te kunnen testen.” Bronnen: Science Daily / Goddard Space Flight Center

_{*Het Goddard Space Flight Center (GSFC) is een van de 12 grote onderzoekscentra van NASA, opgericht op 1 mei 1959 als eerste vluchtcentrum. Er werken 10.000 mensen en is gevestigd in Greenbelt, Maryland op zo een 10 km van Washington. Het is NASA’s grootste alsook oudste ruimtevaartcentrum en tevens het grootste Amerikaanse gecombineerde organisatie van wetenschappers en monteurs die samenwerken bij het ontwikkelen van onbemande ruimtesondes (NICER, MAVEN, Integral, EOS)  voor wetenschappelijk onderzoek.}

_{**Langmuir ontstaan als in een homogeen neutraal plasma, een gas van positieve ionen en negatieve elektronen, een klein deel van de elektronen verschoven wordt ten opzichte van de ionen. Deze verstoring van de neutraliteit wordt dan tegengewerkt door coulombkrachten. Het wolkje elektronen veert terug en gaat oscilleren om de evenwichtstoestand.}

Gerelateerde Astroblogs:

Fysici poneren gedurfde hypothese over detectie buitenaards leven; Gebruikt ETI mogelijk kunstmatige zwarte gaten als quantumcomputers? China plant naast Micius ook quantumsatellieten in een hoge aardebaan te gaan lanceren Onderzoekers stellen dat de uitdijing van ons universum mogelijk het gevolg is van het versmelten met ‘baby-universums’