Les électrons énergétiques qui animent les aurores boréales (les aurores boréales) ont une structure riche et très dynamique que nous ne comprenons pas entièrement à l’heure actuelle. Une grande partie de ce que nous savons sur ces électrons provient d'instruments qui ont des limites fondamentales dans leur capacité à échantillonner plusieurs énergies avec une résolution temporelle élevée.
Pour surmonter ces limites, la NASA utilise une approche innovante pour développer des instruments qui amélioreront nos capacités de mesure de plus d'un ordre de grandeur, révélant une multitude de nouvelles informations sur l'étonnante physique qui se produit au sein des aurores.
Les instruments électroniques typiques s'appuient sur une technique appelée déviation électrostatique, qui nécessite de modifier une tension pour sélectionner différentes énergies d'électrons à mesurer. Ces instruments ont été utilisés dans le cadre de nombreuses missions spatiales différentes et ont fourni presque toutes les mesures d'électrons in situ effectuées à l'intérieur des aurores.
Ils fonctionnent très bien lors de l'observation sur des échelles de temps de quelques secondes ou même jusqu'à environ un dixième de seconde, mais ils ne peuvent fondamentalement pas observer sur des échelles de temps plus petites (millisecondes) en raison du temps nécessaire pour parcourir les tensions.
Les observations optiques des aurores au sol au sol ont montré qu'il peut y avoir des variations spatiales et temporelles rapides qui dépassent les capacités d'observation des instruments électroniques traditionnels. Par conséquent, les membres du laboratoire de géophysique du Goddard Space Flight Center de la NASA ont développé un instrument appelé spectromètre d'électrons à précipitation aiguë (APES) qui peut mesurer la précipitation d'électrons dans les aurores à une cadence d'une milliseconde.
APES utilise un champ magnétique puissant à l’intérieur de l’instrument pour séparer les électrons de différentes énergies sur différentes régions spatiales du détecteur. Cette méthode permet à l'instrument de mesurer simultanément l'ensemble du spectre énergétique des électrons à une fréquence très élevée (toutes les 1 ms).
Lors de la conception de l’APES, un compromis majeur a dû être fait. Pour que la géométrie du champ magnétique fonctionne correctement, l’instrument ne peut observer que dans une seule direction. Ce concept fonctionne bien si l’objectif est simplement de mesurer les électrons précipitants (descendants) dans les aurores qui finissent par frapper l’atmosphère. Cependant, nous savons que les électrons des aurores se déplacent également dans d’autres directions; en fait, ces électrons contiennent de nombreuses informations sur d'autres processus physiques se déroulant plus loin dans l'espace.
Pour permettre la mesure des électrons dans plusieurs directions, l'équipe Goddard a développé le concept d'instrument APES-360. Pour créer la conception APES-360, l'équipe a utilisé les mêmes principes de fonctionnement que ceux utilisés dans APES, mais les a mis à jour pour s'adapter à une géométrie de direction multi-aspects qui couvre un champ de vision de 360 degrés en utilisant 16 secteurs différents.
L'équipe a dû surmonter plusieurs défis techniques pour développer le concept APES-360. En particulier, la conception électronique devait accueillir beaucoup plus d'anodes (surfaces de détection de charge) et les circuits associés dans une petite zone.
Le prototype APES-360 en cours de construction sera testé et calibré à Goddard et volera sur une fusée-sonde vers les aurores actives à l'hiver 2025. Ce vol fournira des données réelles de l'intérieur de l'aurore qui seront utilisées pour valider les performances de l'instrument et éclairer les futures améliorations de conception.
L'instrument APES-360 est conçu pour s'intégrer dans un format CubeSat afin de pouvoir être utilisé lors des futures missions CubeSat visant à étudier les aurores boréales. L'instrument pourrait également, à terme, être utilisé dans le cadre de missions orbitales plus importantes.
Fourni par la NASA
