Reuven Ramaty, generador de imágenes espectroscópicas solares de alta energía

El generador de imágenes espectroscópicas solares de alta energía Reuven Ramaty ( RHESSI , originalmente HESSI o Explorer 81 ) fue un observatorio de erupciones solares de la NASA . Fue la sexta misión del programa Small Explorer (SMEX), seleccionada en octubre de 1997 ^{[ 1 ] [ 7 ]} y lanzada el 5 de febrero de 2002 a las 20:58:12 UTC . Su misión principal era explorar la física de la aceleración de partículas y la liberación de energía en las erupciones solares.

La nave espacial reingresó a la atmósfera terrestre a las 00:21 UTC del 20 de abril de 2023, 21 años después de su lanzamiento. ^{[ 5 ]}

HESSI pasó a llamarse RHESSI el 29 de marzo de 2002 en honor al Dr. Reuven Ramaty , pionero en el campo de la física solar de alta energía. RHESSI fue la primera misión espacial nombrada en honor a un científico de la NASA. ^{[ 8 ]} RHESSI fue construida por Spectrum Astro para el Centro de Vuelos Espaciales Goddard y operada por el Laboratorio de Ciencias Espaciales en Berkeley, California . El investigador principal de 2002 a 2012 fue Robert Lin , sucedido por Säm Krucker. ^{[ 9 ]}

La nave espacial giraba para proporcionar la modulación de señal necesaria. Los cuatro paneles solares fijos se diseñaron para proporcionar suficiente momento giroscópico para estabilizar la rotación alrededor del vector solar. Esto eliminó en gran medida la necesidad de control de actitud . Los detectores del instrumento eran nueve cristales de germanio de alta pureza . Cada uno se enfriaba a temperaturas criogénicas mediante un criorefrigerador mecánico. El germanio proporcionaba no solo detecciones por efecto fotoeléctrico , sino también espectroscopia inherente a través de la deposición de carga del rayo incidente. Los cristales estaban alojados en un criostato y montados con correas de baja conductividad. Una estructura de telescopio tubular constituía la mayor parte de la nave espacial. Su propósito era mantener los colimadores sobre los cristales de Ge en posiciones fijas y conocidas.

El bus del satélite constaba de la estructura y los mecanismos, el sistema de alimentación (que incluía la batería , los paneles solares y la electrónica de control), el sistema de control de actitud , el sistema de control térmico , el sistema de mando y procesamiento de datos (C&DH) y el sistema de telecomunicaciones . La estructura de la nave espacial proporcionaba soporte al telescopio y otros componentes. Estaba fabricada con piezas de aluminio para ser ligera pero resistente. La plataforma de equipos tenía una estructura de panal para reducir aún más el peso. La nave espacial fue fabricada en Gilbert, Arizona, por Spectrum Astro, Inc. ^{[ 10 ]}

El conjunto del telescopio de imágenes constaba del tubo del telescopio, bandejas de rejillas, sistema de orientación solar (SAS) y sistema de ángulo de balanceo (RAS). Fue construido, ensamblado, alineado y probado en el Instituto Paul Scherrer en Suiza . Las bandejas de rejillas delantera y trasera se fijaron al tubo del telescopio, manteniendo la separación y alineación de las mismas. Nueve rejillas se montaron en una bandeja en cada extremo del tubo del telescopio. Los pares de rejillas modulaban la transmisión de las emisiones de rayos X y rayos gamma de las erupciones solares hacia los detectores a medida que la nave espacial giraba alrededor del eje del tubo del telescopio. Las tasas de conteo moduladas en los nueve detectores se utilizaron en computadoras en tierra para construir imágenes de erupciones solares en diferentes bandas de energía. Las cinco rejillas gruesas (cuadradas) fueron fabricadas por Van Beek Consultancy en los Países Bajos . Las cuatro rejillas finas (redondas) fueron fabricadas por Thermo Electron Tecomet en Massachusetts . Todas las rejillas fueron caracterizadas ópticamente y con rayos X en el Centro de Vuelo Espacial Goddard antes de ser enviadas al Instituto Paul Scherrer para su integración en el conjunto del telescopio de imágenes. ^{[ 10 ]}

El espectrómetro contenía nueve detectores de germanio ubicados detrás de los nueve pares de rejillas del telescopio. Estos cristales cultivados artificialmente, con una pureza superior a una parte por billón, fueron fabricados por la división ORTEC de Perkin Elmer Instruments . Al enfriarse a temperaturas criogénicas y aplicarles un alto voltaje (hasta 4000 voltios ), convertían los rayos X y gamma incidentes en pulsos de corriente eléctrica. La cantidad de corriente era proporcional a la energía del fotón y se medía mediante una electrónica sensible diseñada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio de Ciencias Espaciales , en Berkeley, California. Los detectores se enfriaban con un criorefrigerador electromecánico de ciclo Stirling construido por SunPower Inc. y certificado para vuelo en el Centro de Vuelo Espacial Goddard. ^{[ 11 ]} Este sistema los mantenía a la temperatura de funcionamiento requerida de −198 °C (−324,4 °F) , o 75 °C por encima del cero absoluto .  

RHESSI fue diseñado para obtener imágenes de erupciones solares en fotones energéticos , desde rayos X blandos (~3 keV ) hasta rayos gamma (hasta ~20 MeV), y para proporcionar espectroscopia de alta resolución hasta energías de rayos gamma de ~20 MeV. Además, tenía la capacidad de realizar espectroscopia con resolución espacial y alta resolución espectral.

Los investigadores creen que gran parte de la energía liberada durante una erupción solar se utiliza para acelerar, a energías muy altas, electrones (que emiten principalmente rayos X) y protones y otros iones (que emiten principalmente rayos gamma). El nuevo enfoque de la misión RHESSI consistió en combinar, por primera vez, imágenes de alta resolución en rayos X duros y rayos gamma con espectroscopia de alta resolución, de modo que se pudiera obtener un espectro de energía detallado en cada punto de la imagen. Este nuevo enfoque permitió a los investigadores determinar dónde se aceleran estas partículas y a qué energías. Dicha información contribuirá a una mejor comprensión de los procesos fundamentales de alta energía que subyacen al fenómeno de las erupciones solares.

El principal objetivo científico de RHESSI era comprender los siguientes procesos que tienen lugar en los plasmas magnetizados de la atmósfera solar durante una erupción:

• Liberación de energía impulsiva
• Aceleración de partículas
• Transporte de partículas y energía

Estos procesos de alta energía desempeñan un papel fundamental en diversos lugares del Universo, desde magnetosferas hasta galaxias activas . Por consiguiente, la importancia de comprender estos procesos trasciende el campo de la física solar ; es uno de los principales objetivos de la física espacial y la astrofísica .

Los procesos de alta energía de interés incluyen los siguientes:

• La liberación rápida de energía almacenada en configuraciones magnéticas inestables.
• La conversión igualmente rápida de esta energía en la energía cinética del plasma caliente y las partículas aceleradas (principalmente electrones, protones e iones).
• El transporte de estas partículas a través de la atmósfera solar y hacia el espacio interplanetario.
• El calentamiento subsiguiente de la atmósfera solar ambiente

Estos procesos implican:

• Energías de partículas de muchos GeV
• Temperaturas de decenas o incluso cientos de millones de grados.
• Densidades tan bajas como 100 millones de partículas por centímetro cuadrado.
• Escalas espaciales de decenas de miles de kilómetros y
• Tiempos de contención magnética de segundos a horas

Es imposible reproducir estas condiciones en laboratorios terrestres .

La aceleración de electrones se revela mediante la radiación de frenado de rayos X duros y rayos gamma, mientras que la aceleración de protones e iones se revela mediante las líneas y el continuo de rayos gamma. La proximidad del Sol implica no solo que estas emisiones de alta energía son órdenes de magnitud más intensas que las de cualquier otra fuente cósmica, sino también que pueden resolverse con mayor precisión, tanto espacial como temporalmente.

Dado que los rayos X no se reflejan ni se refractan fácilmente, la obtención de imágenes en rayos X es difícil. Una solución a este problema consiste en bloquear selectivamente los rayos X. Si el bloqueo depende de la dirección de los fotones incidentes, es posible reconstruir una imagen. La capacidad de obtención de imágenes de RHESSI se basaba en una técnica de transformada de Fourier que utilizaba un conjunto de 9 colimadores de modulación rotacional (RMC) en lugar de espejos y lentes. Cada RMC constaba de dos conjuntos de rejillas lineales de alta resolución y espaciadas ampliamente. A medida que la nave espacial giraba, estas rejillas bloqueaban y desbloqueaban los rayos X provenientes del Sol , modulando la señal de fotones en el tiempo. La modulación se podía medir con un detector sin resolución espacial situado detrás del RMC, ya que la información espacial se almacenaba en el dominio del tiempo. El patrón de modulación durante media rotación de un solo RMC proporcionaba la amplitud y la fase de muchos componentes espaciales de Fourier en un amplio rango de orientaciones angulares, pero para un rango limitado de dimensiones de la fuente espacial. Múltiples RMC, cada uno con diferentes anchos de rendija, proporcionaron cobertura en todo el rango de tamaños de fuentes de llamaradas. Posteriormente, las imágenes se reconstruyeron a partir del conjunto de componentes de Fourier medidas, en analogía matemática exacta con la radiointerferometría de múltiples líneas base. RHESSI proporcionó una resolución espacial de 2 segundos de arco para energías de rayos X de ~4 keV a ~100 keV, 7 segundos de arco a ~400 keV y 36 segundos de arco para líneas de rayos gamma y emisión continua por encima de 1 MeV.

RHESSI también podía detectar rayos gamma provenientes de direcciones distintas a la solar. Los rayos gamma más energéticos atravesaban la estructura de la nave espacial e impactaban los detectores desde cualquier ángulo. Este modo se utilizaba para observar estallidos de rayos gamma (GRB). Los rayos gamma incidentes no eran modulados por las rejillas, por lo que no se registraba información de posición ni de imagen. Sin embargo, se podía obtener una posición aproximada gracias a que los detectores tenían captadores frontales y traseros. Además, los detectores cercanos al estallido protegían a los que se encontraban lejos de él. Comparando la intensidad de la señal alrededor de los nueve cristales, tanto de adelante hacia atrás, se obtenía una posición bidimensional aproximada en el espacio.

Al combinarse con las marcas de tiempo de alta resolución de los impactos del detector, la solución de RHESSI podía cotejarse en tierra con la de otras naves espaciales de la Red Interplanetaria (IPN ) para obtener una solución precisa. La gran superficie y la alta sensibilidad del conjunto de cristales de germanio convirtieron a RHESSI en un componente fundamental de la IPN. Incluso cuando otras naves espaciales podían proporcionar la ubicación de los estallidos, pocas podían ofrecer espectros de tan alta calidad (tanto en tiempo como en energía) como RHESSI. Sin embargo, en raras ocasiones, un estallido de rayos gamma (GRB) ocurría cerca del Sol, dentro del campo de visión colimado. En esos casos, las cuadrículas proporcionaban información completa, y RHESSI era capaz de determinar con precisión la ubicación del GRB incluso sin la correlación de la IPN.

Las observaciones de RHESSI cambiaron nuestra perspectiva sobre las erupciones solares, en particular sobre los procesos de alta energía en ellas. Sus observaciones dieron lugar a numerosas publicaciones en revistas científicas y presentaciones en congresos. Hasta 2017, el satélite fue citado en 2474 publicaciones, libros y presentaciones. ^{[ 13 ]} La colección «Aspectos de alta energía de las erupciones solares: una monografía inspirada en RHESSI» ^{[ 14 ]} contiene revisiones de la investigación sobre erupciones solares realizada por RHESSI hasta 2011.

• RHESSI fue el primer satélite en obtener imágenes de los rayos gamma de una erupción solar. ^{[ 15 ]}
• Fue el primer satélite en medir con precisión los destellos de rayos gamma terrestres que provienen de las tormentas eléctricas , y descubrió que dichos destellos ocurren con más frecuencia de lo que se pensaba y que los rayos gamma tienen una frecuencia promedio más alta que el promedio de las fuentes cósmicas.

Debido a dificultades de comunicación, RHESSI cesó sus operaciones científicas el 11 de abril de 2018 a las 01:50 UTC . ^{[ 16 ]} Fue desmantelado el 16 de agosto de 2018 ^{[ 4 ]} y permaneció en una órbita terrestre baja estable que se fue deteriorando gradualmente debido al arrastre atmosférico.

• Programa Exploradores

• Sitio web de RHESSI archivado el 26 de junio de 2019 en la Wayback Machine por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.
• Sitio web de archivo HESSI del Laboratorio de Ciencias Espaciales
• Navegador de datos RHESSI del Laboratorio de Ciencias Espaciales
• RHESSI Science Nuggets , una serie quincenal que explica los resultados científicos recientes.