Neposredna detekcija kosmičke prašine radio-uređajima svemirskih letelica

[K. Racković Babić]

XVI, 151 list

Astronomy and Astrophysics - Physics of Heliosphere / Astronomy et Astrophysique - Phisique des Heliosphere / Astronomije i Astrofizika - Fizika heliosfere

Interplanetary dust grains contain important information about the Solar System. Analyzing these particles is an important aspect of the heliosphere study. Dust impacts have been observed using radio and wave instruments onboard the spacecraft since the 1980s. The interac- tion between the impact-generated plasma cloud and antenna – space- craft system elements generates the characteristic signal waveform. The present work focuses on the detection and interpretation of the dust generated signals from radio instruments onboard various space- craft orbiting at 1 AU. In the first part of the thesis, we aim to develop a model which links the observed electric signals to the dust impact properties. We propose a new model which takes into account the effect of impact - ionization - charge collection and electrostatic-influence. Our model provides an analytical expression for the pulse. It allows us to measure the amount of total ion charge, the fraction of escaping charge, the rise timescale, and the relaxation timescale. The proposed model is simple and conve- nient for large data fitting. To validate the model, we use the Time Do- main Sampler (TDS) subsystem of the STEREO/WAVES instrument, which generates high-cadence time series of voltage pulses for each monopole. Since the beginning of the STEREO mission in 2007, we have collected all the dust events detected by S/WAVES/TDS simul- taneously on all three monopoles at 1 AU. Our study confirms that the rise time vastly exceeds the spacecraft’s short timescale of elec- tron collection by the spacecraft. Aside from electron dynamics, we also obtained interesting results regarding the cloud’s electron tem- perature. The presented model provides an effective tool for analyzing vii dust waveforms, and is applicable for different space missions which investigate the distribution of dust particles, e.g., Solar Orbiter and Parker Solar Probe. In the second part of the thesis, we focus on the interstellar dust (ISD). Interplanetary and interstellar dust are the two main dust pop- ulations at 1 AU. Our objective is to search for interstellar dust by analyzing the data sets collected by STEREO and Wind, starting from the beginning of the missions. Between 2007 and 2012, while being at the solar minimum with a solar dipole pointing southward, all three spacecraft recorded ISD flux at 1 AU. However, before and after that period, the disappearance of the interstellar component was noticeable. The observed change of the impact rate suggests that the flux of inter- stellar dust at 1 AU varies with the solar cycle. Each time the magnetic dipole field changes its polarity during the solar cycle, small interstel- lar grains experience focusing or defocusing. Consequently, the dust grains are systematically deflected either towards, or away from the solar magnetic equator plane by the solar wind magnetic field which thus affects the dust dynamics and the total interstellar dust flux in the inner heliosphere. Our study provides the first quantitative de- scription of the time variation of ISD flux at 1 AU

Les grains de poussière interplanétaires contiennent des informations importantes sur le système solaire. L’analyse de ces particules est un aspect important de l’étude de l’héliosphère. Depuis les années 1980, les impacts de poussières sont observés à l’aide d’instruments radio et à ondes embarqués à bord de sondes spatiales. L’interaction entre le nuage de plasma généré par l’impact de poussières et les éléments du système antenne-sonde spatiale génère la forme d’onde du signal. Le présent travail se concentre sur la détection et l’interprétation des ob- servations de poussières à partir d’instruments radio à bord de divers sondes en orbite à 1 AU. Dans la première partie de la thèse, nous avons développé un mod- èle qui lie les signaux électriques observés aux propriétés d’impact des poussières. Nous proposons un nouveau modèle qui prend en compte les effets d’impact - ionisation - collection de charges et d’influence électrostatique. Il s’agit d’une expression analytique de l’impulsion. Elle nous permet de mesurer la quantité de la charge ionique totale, la fraction de la charge qui s’échappe, l’échelle du temps de montée et l’échelle du temps de relaxation. Le modèle proposé est simple et pra- tique pour l’ajustement à un grand jeux de données. Pour valider le modèle, nous utilisons le sous-système Time Domain Sampler (TDS) de l’instrument STEREO/WAVES, qui génère des séries temporelles d’impulsions de la tension à haute cadence pour chaque monopole. Nous avons collecté tous les événements de poussière détectés par S/WAVES/TDS simultanément sur les trois monopoles à 1 AU depuis le début de la mission STEREO en 2007. Notre étude confirme que le temps de montée dépasse largement la courte échelle de temps de ix collecte des électrons par la sonde. Outre la dynamique des électrons, nous avons également obtenu des résultats nouveaux concernant la température des électrons du nuage. Le modèle présenté constitue un outil efficace pour analyser les formes d’onde de la poussière et est applicable à différentes missions spatiales qui étudient la distribution des particules de poussière, par exemple sur Solar Orbiter et Parker Solar Probe. Dans la deuxième partie de la thèse, nous ètudions la poussière interstellaire (ISD). La poussière interplanétaire et la poussière inter- stellaire sont les deux principales populations de poussière à 1AU. L’objectif de cette partie est d’analyser les jeux de données pour la poussière interstellaire collectés par les sondes STEREO et Wind, sur une grande échelle de temps, dès le début des missions. Entre 2007 et 2012, au moment du minimum solaire avec un dipôle solaire pointant vers le sud, les trois sondes ont enregistré un flux ISD à 1 AU, mais avant et après cette période, la disparition de la composante interstel- laire est notable. La disparition d’impacts suggère que le flux de pous- sière interstellaire observé varie avec le cycle solaire. Lorsque le champ dipolaire magnétique a changé de polarité au cours du cycle solaire, les grains interstellaires ont subi une focalisation ou une défocalisa- tion. Par conséquent, les grains de poussière sont systématiquement déviés vers - ou loin - du plan de l’équateur magnétique solaire, par le champ magnétique du vent solaire, ce qui affecte la dynamique de la poussière et le flux total de poussière interstellaire dans l’héliosphère interne.

Me ¯duplanetarna prašina sadrži važne informacije o Sunˇcevom sistemu. Neposredna posmatranja kosmiˇcke prašine razliˇcitog porekla (od kom- eta, asteroida, planeta, prirodnih satelita, me ¯duzvezdane materije, itd) rutinski se obalja u okviru postoje´cih svemirskih misija koje su opreml- jene odgovarajucim instrumentima. Udari prašine prime´ceni su ko- riš´cenjem radio i instrumenata za detekciju talasa na svemirskim lete- licama još 1980-ih godina. Interakcija izmedju oblaka plazme nasta- log usled udara ˇcestica prašine i elemenata sistema antena–svemirska letelica, dovodi do pojavljivanja karakteristiˇcnog talasanog oblika u signalu. Ovaj rad se fokusira na otkrivanje i tumaˇcenje takvih talasnih oblika u signalu sa radio instrumenata razliˇcitih svemirskih letelica koje kruže na udaljenosti od jedne AJ. U prvom delu rada predstvaljen je teorijski model koji objašnjava proces nastanka pomenutih signala, te nam omogu´cava da procenimo fiziˇcka svojstva prašine na osnovu analize detektovanih talasnih oblika. Predlažemo novi model koji uzima u obzir uticaj jonizacije u prikupl- janju naelektrisanja, kao i elektrostatiˇcki uticaj. Kroz ovaj model želimo da pokažemo da svojstva detektovanog signala u velikoj meri zavise od lokalnog okruženja letelice, kao i od dinamike oblaka jonizovanog gasa nastalog sudarnom jonizacijom. Predloženi model je jednosta- van i pogodan za upotrebu na velikom broju podataka. U svrhu testi- ranja pouzdanosti modela koristimo podsistem Time Domain Sampler (TDS) instrumenta STEREO/WAVES, koji generiše ˇcesto ponavljaju´ce vremenske serije naponskih impulsa za svaki monopol. Naše istraži- vanje dalo je zanimljive rezultate u vezi sa temperaturom elektrona u oblaku. Predstavljeni model pruža efikasan alat za analizu talasnih ob- xi lika prašine i primenjiv je na podatke sa razliˇcitih svemirskih letelica. Drugi deo teze odnosi se na detekciju i analizu me ¯duzvezdane pra- šine (ISD, eng. interstellar dust). Me ¯duplanetarna prašina i me ¯duzvez- dane prašina predstavljaju dve primarne populacije na udaljenosti od 1 AJ. Naš cilj je analiza podataka za me ¯duzvezdanu prašinu koje prikupljaju STEREO i Wind sateliti, od poˇcetka misija. U periodu od 2007. do 2012. godine, kada je zabeležen minimum Sunˇceve aktivnosti, a magnetni dipol orijentisan ka jugu, sve tri letelice detektovale su fluks me ¯duzvezdane prašine na 1 AJ. Me ¯dutim, pre i nakon tog pe- rioda primetan je nestanak me ¯duzvezdane komponente. Kada mag- netno polje promeni polaritet, snop sitnijih zrna me ¯duzvedanih prašine pretrpi svojevrsno fokusiranje ili pak defokusiranje. Shodno tome, kao rezultat dolazi do toga da se zrnca prašine sistematski odguruju ka, ili dalje od ravni Sunˇcevog ekvatora. To umnogome utiˇce na dinamiku i ukupan protok me ¯duzvezdane prašine u unutrašnjoj heliosferi. Naše istraživanje pruža prvi kvanitativni prikaz varijacije ISD na 1 AJ tokom vremena, Me ¯duplanetarna prašina sadrži važne informacije o Sunˇcevom sistemu. Neposredna posmatranja kosmiˇcke prašine razliˇcitog porekla (od kom- eta, asteroida, planeta, prirodnih satelita, me ¯duzvezdane materije, itd) rutinski se obalja u okviru postoje´cih svemirskih misija koje su opreml- jene odgovarajucim instrumentima. Udari prašine prime´ceni su ko- riš´cenjem radio i instrumenata za detekciju talasa na svemirskim lete- licama još 1980-ih godina. Interakcija izmedju oblaka plazme nasta- log usled udara ˇcestica prašine i elemenata sistema antena–svemirska letelica, dovodi do pojavljivanja karakteristiˇcnog talasanog oblika u signalu. Ovaj rad se fokusira na otkrivanje i tumaˇcenje takvih talasnih oblika u signalu sa radio instrumenata razliˇcitih svemirskih letelica koje kruže na udaljenosti od jedne AJ. U prvom delu rada predstvaljen je teorijski model koji objašnjava proces nastanka pomenutih signala, te nam omogu´cava da procenimo fiziˇcka svojstva prašine na osnovu analize detektovanih talasnih oblika. Predlažemo novi model koji uzima u obzir uticaj jonizacije u prikupl- janju naelektrisanja, kao i elektrostatiˇcki uticaj. Kroz ovaj model želimo da pokažemo da svojstva detektovanog signala u velikoj meri zavise od lokalnog okruženja letelice, kao i od dinamike oblaka jonizovanog gasa nastalog sudarnom jonizacijom. Predloženi model je jednosta- van i pogodan za upotrebu na velikom broju podataka. U svrhu testi- ranja pouzdanosti modela koristimo podsistem Time Domain Sampler (TDS) instrumenta STEREO/WAVES, koji generiše ˇcesto ponavljaju´ce vremenske serije naponskih impulsa za svaki monopol. Naše istraži- vanje dalo je zanimljive rezultate u vezi sa temperaturom elektrona u oblaku. Predstavljeni model pruža efikasan alat za analizu talasnih ob- xi lika prašine i primenjiv je na podatke sa razliˇcitih svemirskih letelica. Drugi deo teze odnosi se na detekciju i analizu me ¯duzvezdane pra- šine (ISD, eng. interstellar dust). Me ¯duplanetarna prašina i me ¯duzvez- dane prašina predstavljaju dve primarne populacije na udaljenosti od 1 AJ. Naš cilj je analiza podataka za me ¯duzvezdanu prašinu koje prikupljaju STEREO i Wind sateliti, od poˇcetka misija. U periodu od 2007. do 2012. godine, kada je zabeležen minimum Sunˇceve aktivnosti, a magnetni dipol orijentisan ka jugu, sve tri letelice detektovale su fluks me ¯duzvezdane prašine na 1 AJ. Me ¯dutim, pre i nakon tog pe- rioda primetan je nestanak me ¯duzvezdane komponente. Kada mag- netno polje promeni polaritet, snop sitnijih zrna me ¯duzvedanih prašine pretrpi svojevrsno fokusiranje ili pak defokusiranje. Shodno tome, kao rezultat dolazi do toga da se zrnca prašine sistematski odguruju ka, ili dalje od ravni Sunˇcevog ekvatora. To umnogome utiˇce na dinamiku i ukupan protok me ¯duzvezdane prašine u unutrašnjoj heliosferi. Naše istraživanje pruža prvi kvanitativni prikaz varijacije ISD na 1 AJ tokom vremena

heliosphere, dust grains, interplanetary dust, modeling, interstellar dust, analyze

heliosphère , grains de poussières , poussières interplan- etaires, modèle, poussières interstellaires , analyse

523.62(043.3) 524.57(043.3)

heliosfera, ˇcestice prašine, me ¯duplanetarna prašina, modelovanje, me ¯duzveydana prašina, analiza

Tekst