Sun Science heeft een Bright Future on the Moon

[univers]

Er zijn veel redenen waarom NASA de Artemis- missie nastreeft om astronauten op de maan te landen in 2024: het is een cruciale manier om de maan zelf te bestuderen en een veilig pad naar Mars te effenen. Maar het is ook een geweldige plek om meer te leren over het beschermen van de aarde, die slechts een onderdeel is van het grotere Sun-Earth-systeem.

Heliophysicists - wetenschappers die de zon en zijn invloed op aarde bestuderen - zullen ook hun eigen NASA-missies verzenden als onderdeel van Artemis. Hun doel is om de complexe ruimtelijke omgeving rondom onze planeet beter te begrijpen, waarvan een groot deel wordt aangedreven door onze zon. Hoe meer we dat systeem begrijpen, hoe meer we ruimtetechnologie, radiocommunicatie en nutsnetwerken kunnen beschermen tegen de toorn van onze dichtstbijzijnde ster.

Hier zijn vijf redenen waarom heliofysici dolgelukkig zijn over mogelijkheden voor de maan.

1. Het is een stabiele satelliet
Het eerste voordeel van Moon-gebaseerde wetenschap betreft satellietjitter, die ruimtewetenschappers van elke streep rammelt.

Satellieten zijn bibberiger dan je zou denken. Ze zijn gemaakt van metalen die uitzetten en krimpen bij temperatuurschommelingen. Ze dragen telescopen die constant draaien om op doelen gericht te blijven. Ze vuren boosters en draaien reactiewielen om in een baan te blijven. Elk van deze manoeuvres veroorzaakt jitter, die metingen kan afwerpen die precisie vereisen.

Maar de maan - de enige natuurlijke satelliet van de aarde - is een veel soepelere rit.

"De maan is een mooie stabiele plek - het schudt of schudt niet zoals een ruimteschip," zei David Sibeck, een heliofysicus bij het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland. "Iedereen die metingen met een hoge resolutie probeert te doen, zal blij zijn om zich geen zorgen te maken over jitter."

Een jittervrije omgeving is een pluspunt voor alle ruimtewetenschappen, maar er zijn extra bonussen voor heliofysici die de aurora bestuderen. Op een gemiddelde van 238,855 mijl van de aarde heeft de maan een geweldig uitzicht op de aurora van de aarde wanneer deze evenwijdig beweegt tijdens grote geomagnetische stormen. Omdat dezelfde kant van de maan altijd naar de aarde is gericht, hoeven telescopen bovendien niet zo veel te worden aangepast. Plant ze op het oppervlak en de maan houdt ze voor je gericht.


Terwijl de maan om de aarde draait, roteert deze met dezelfde snelheid - een speciaal geval van getijdenblokkering dat synchrone rotatie wordt genoemd. Als gevolg hiervan staat één kant altijd tegenover ons.
Credits: NASA's Scientific Visualization Studio / Ernie Wright

2. Prime Eclipse bekijken, op aanvraag
Lang voor het ruimtetijdperk vertrouwden wetenschappers op de maan om hen te helpen de zon te bestuderen. Patiëntwaarnemers wachtten op totale zonsverduisteringen, wanneer de maan het heldere oppervlak van de zon blokkeert. Pas toen konden ze de ijle buitenatmosfeer zien, bekend als de corona.

Maar het wachten zou lang kunnen duren. Elke 18 maanden vindt ergens op aarde een totale zonsverduistering plaats. Voor elke specifieke locatie lijkt het meer op eens in de vier eeuwen.

"We halen fantastische resultaten uit eclipsen," zei John Cooper, een heliofysicus bij Goddard. "Maar we krijgen ze niet elke dag."

Maar een telescoop die naar de zon kijkt, in de juiste baan rond de maan, kan 'on demand' eclipsen genereren. In plaats van te wachten tot de maan over de kijkrichting van je telescoop beweegt, legt Cooper uit, verplaats je je blik achter de maan.

"In principe gebruik je de mesrand van de maan tegen de diepe donkere, zwarte lucht," zei Cooper. Omdat de maan geen beeldvervormende atmosfeer heeft om doorheen te kijken, zouden de metingen zelfs scherper zijn dan die op aarde.

Vanuit zijn nabije baan zou zo'n telescoop geen totale zonsverduisteringen genereren - hij zou één deel van het ledemaat van de zon tegelijk bestuderen. Maar Cooper schat dat je zowel de oostelijke als de westelijke ledematen van de zon eenmaal per baan zou kunnen zien - twee weergaven met hoge resolutie, elke dag.


Animatie van een totale zonsverduistering.
Credits: NASA's Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab

3. Het bevindt zich buiten het magnetisch veld van de aarde
Ruimteweer is een onderdeel van heliofysica waar pure wetenschap realtime wordt toegepast. Ruimteweerwetenschappers bestuderen de zon - inclusief de constante stroom zonnewind - en hun impact op de aarde. Deze toegepaste onderzoekers moeten die fundamentele fysica juist krijgen om onze waardevolle communicatie en GPS-satellieten veilig te houden. Maar het kan lastig zijn om te bepalen of een satelliet in gevaar is.

De veiligheid van een satelliet hangt gedeeltelijk af van het feit of deze zich binnen of buiten de magnetopauze van de aarde bevindt. De magnetopauze is een verschuivend niemandsland waar het magnetische schild van de aarde eindigt en de volledige last van ruimteweer begint. Binnenin ben je grotendeels veilig. Buiten ben je niet.

Maar nu is de enige manier om te weten waar die grens is, om er doorheen te vliegen.

"Soms zit er een wiebeling in de gegevens en zie je de grens je overschrijden," zei Sibeck. "Soms zie je tien wiebels."

Maar er is een andere manier om de magnetopauze te vinden als je ver genoeg buiten het magnetische schild van de aarde kunt komen. Wanneer de zonnewind de atmosfeer van de aarde net buiten de magnetopauze raakt, geeft deze röntgenstraling af. Een correct geplaatste röntgentelescoop zou dat licht kunnen vangen en de locatie van de magnetopauze kunnen volgen.

Daarom zit Sibeck in een team, geleid door ruimtewetenschapper Brian Walsh aan de Boston University, die een röntgentelescoop op de maan plaatst.

"Niemand heeft deze globale foto's genomen, en de maan heeft een goed uitkijkpunt buiten het magnetische veld van de aarde," zei Sibeck.

De Lunar Environment heliospheric X-ray Imager, of LEXI-missie, zal op het maanoppervlak worden geplant om real-time, globale foto's van de magnetopauze te nemen. Op 1 juli 2019 heeft NASA aangekondigd dat LEXI een van de eerste maanladingen zal zijn die deelneemt aan de Artemis-missie. Ze verwachten zich al in 2022 op het oppervlak van de maan te bevinden.

LEXI is iets meer dan een meter lang, maar het maanoppervlak is geschikt voor veel grotere röntgentelescopen. Dat is goed nieuws, want röntgenfoto's zijn moeilijk scherp te stellen; langere telescopen krijgen beelden met een veel hogere resolutie. De eis om groot te zijn heeft een probleem gevormd; sommige satellieten zijn gewoon niet groot genoeg om ze te dragen. "Maar op de maan kunnen dingen heel groot zijn," zei Sibeck.


Een gesimuleerde coronale massa-uitstoot raakt het magnetische veld van de aarde.
Credits: NASA's Goddard Space Flight Center / Scientific Visualization Studio / Community-Coordinated Modeling Center

4. U kunt de geschiedenis van de zon opgraven
Het antwoord op enkele vragen in de heliofysica ligt begraven op de maan zelf.

"De maan is als een tijdcapsule", zegt Steve Clarke, adjunct-administratief beheerder voor onderzoek bij NASA. "Omdat het tegelijkertijd met de aarde werd gevormd, heeft het de geschiedenis van het zonnestelsel op zijn oppervlak."

Tijdens zijn eerste miljard jaar draaide de zon waarschijnlijk sneller dan vandaag, waarbij een groter volume aan zonne-uitbarstingen wordt afgeschoten en de ruimte die de planeten vormde, werd geëlektrificeerd. Maar om zeker te weten hoe die eerste miljard jaar eruit zag, hebben we bewijs nodig voor dingen die lang, lang geleden zijn gebeurd.

De maan - die geen atmosfeer, geen vloeibaar water en geen platentektoniek heeft - biedt precies zo'n historisch record. Uitbarstingen van de zon van miljarden jaren geleden laten ongestoorde sporen achter in maanstof.


Onderzoek met behulp van gegevens van NASA's ARTEMIS-missie suggereert hoe de zonnewind en de aardmagneetvelden van de maan samenwerken om de maan een onderscheidend patroon van donkerdere en lichtere wervelingen te geven.
Credits: NASA's Goddard Space Flight Center

Een recent artikel keek naar maanstof om de hoeveelheid vluchtige stoffen - elementen zoals natrium en kalium, met lage kookpunten - te bestuderen die in maanmonsters achterbleven. Deze vluchtige stoffen worden van de maan geschopt wanneer energetische zonnedeeltjes het maanoppervlak raken. Door te kijken hoeveel van deze elementen in de loop van de tijd zijn uitgeput, zagen wetenschappers de eerste miljard jaar van onze Zon in een bredere context. Hoewel het vroeger sneller draaide dan nu, was het in vergelijking met anderen nog steeds een "langzame rotator", die langzamer dan 50% van vergelijkbare sterren draaide - en veel minder vaak uitbarstte dan het zou kunnen zijn.

"Het had een veel ruwere omgeving kunnen zijn," zei Prabal Saxena, hoofdauteur van de studie en een astronoom bij Goddard.

Er is nog meer oude geschiedenis te leren van maanstof. De maan heeft geen mondiaal magnetisch veld, maar misschien heeft het er in het verleden wel een gehad. Monsters van de polen van de maan, waar de aanstaande Artemis-missie van plan is te landen , kunnen aantonen of een historisch magnetisch veld het patroon van achtergelaten vluchtige stoffen heeft veranderd.

5. Het is een testbed voor Mars
Voor toekomstige astronauten op de maan en Mars zal ruimteweer constante aandacht vereisen. De zon schept genoeg zorgen om te maken - en hij reist snel.

Op de maan bereikt röntgenlicht van zonnevlammen het oppervlak binnen acht minuten. Coronale massa-ejecties - gigantische wolken van hete, geladen deeltjes - kunnen het binnen een dag bereiken. Zonne-energetische deeltjes of SEP's zijn zeldzamer, maar zelfs sneller en gevaarlijker .

"SEP's hebben een snelheid van 10, 20% van de lichtsnelheid en bereiken ons binnen een uur", zegt Karin Muglach, een natuurkundige bij het ruimteweerlaboratorium van Goddard. "Deze dingen zijn als kogels."


Ruimtestraling is een sleutelfactor voor de veiligheid van astronauten wanneer ze zich naar de maan wagen. NASA onderzoekt een verscheidenheid aan technieken en technologie om verschillende soorten straling tijdens ruimtevaart te verminderen.
Credits: NASA's Goddard Space Flight Center / Joy Ng

Omdat de maan slechts een seconde van het licht verwijderd is, moeten waarschuwingssystemen op aarde goed genoeg zijn om astronauten op de maan te beschermen. "Maar als je naar Mars gaat, kan de communicatie behoorlijk vertraagd zijn," zei Muglach.

Het testen van dergelijke beveiligingssystemen in de buurt is een van de redenen waarom NASA naar de maan gaat voordat ze naar Mars gaat.

Naar de maan en verder
Terwijl NASA vooruit gaat naar de maan en verder naar Mars, zijn er nieuwe mogelijkheden om te leren over de verbinding tussen zon en aarde. Maar het is niet alleen basiswetenschap. De invloed van de zon vult de ruimte om ons heen - de ruimte die toekomstige astronauten zullen moeten navigeren en begrijpen.

"Niet alle wetenschappen krijgen dat echt praktische aspect," zei Jim Spann, hoofd ruimtewetenschapper op het NASA-hoofdkwartier in Washington, DC "Ik vind dat dat vrij cool is."

https://www.nasa.gov/feature/goddard/20 ... n-the-moon