Langmuir Probe: γιατί κάνοντας τη θεωρία πράξη δεν είναι πάντα εύκολο;

Το Langmuir Probe (LP) είναι όργανο το οποίο έχει τη δυνατότητα να μετράει την πυκνότητα «κρύου» – δηλαδή χαμηλής ενέργειας – πλάσματος. Αποτελεί κομμάτι της, ολοκληρωμένης πλέον, διαστημικής αποστολής Cassini (1997-2017), στον Κρόνο, κι έχει στόχο να μας βοηθήσει στο να καταλάβουμε καλύτερα το περιβάλλον εκεί. Η θεωρία στην οποία βασίζεται πρωτοδιατυπώθηκε από τους Mott-Smith και Langmuir στην εργασία τους το 1926, και βασίζεται στην εξής απλή ιδέα:

Υποθέτουμε ότι έχουμε μια σφαίρα (το Langmuir Probe, στη περίπτωση μας – δείτε Εικόνα 1) σε μια περιοχή με πλάσμα. Αν η σφαίρα είναι αφόρτιστη τότε δεν επηρεάζει ούτε τα ηλεκτρόνια ούτε και τα ιόντα του περιβάλλοντος. Αν όμως φορτίσουμε την σφαίρα, τότε θα σχηματιστεί μια περιοχή δυναμικού γύρω από τη σφαίρα, στην οποία τα σωματίδια ίδιου φορτίου θα απωθούνται, ενώ τα σωματίδια αντίθετου φορτίου θα έλκονται. Για παράδειγμα, αν η σφαίρα είναι αρνητικά φορτισμένη τότε όλα τα ηλεκτρόνια θα απωθούνται, ενώ όλα τα κατιόντα θα έλκονται. Τα σωματίδια που θα φτάσουν τελικά στην σφαίρα, λόγω του ότι είναι φορτισμένα, θα οδηγήσουν στη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος εκεί.

Βάσει του φορτίου που εφαρμόσαμε στη σφαίρα και γνωρίζοντας – ή καλύτερα υποθέτοντας – την κατανομή του πλάσματος στην περιοχή που είμαστε, μπορούμε να αναλύσουμε το ρεύμα που παράχθηκε και να υπολογίσουμε την πυκνότητα και την θερμοκρασία του πλάσματος, τόσο στα ηλεκτρόνια όσο και στα ιόντα. Οπότε βάσει αυτής της εξαιρετικά απλής θεωρίας μπορούμε να έχουμε ακριβείς μετρήσεις πλάσματος από οποιοδήποτε LP. Αλλά…

Το μαγνητοσφαιρικό πλάσμα ενός πλανήτη* δεν είναι ποτέ σε ιδανικές συνθήκες, οπότε υπάρχουν πάρα πολλοί παράγοντες που πρέπει να λάβουμε υπόψη, ώστε οι μετρήσεις μας να είναι όσο το δυνατόν πιο ακριβείς. Δυστυχώς όμως, ενώ αρκετοί παράγοντες είναι δύσκολο να υπολογιστούν, για κάποιους άλλους αυτό είναι πρακτικά αδύνατο. Οπότε ενώ η ιδέα είναι τόσο απλή, πρακτικά είναι εξαιρετικά περίπλοκη.

Ας επικεντρωθούμε στην μελέτη των ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας το LP του Cassini για να δείξουμε πόσο περίπλοκα μπορούν να γίνουν τα πράγματα – η εικόνα 1 είναι μια φωτογραφία του LP του Cassini πριν την έναρξη της λειτουργίας του, με τον βραχίονα «κλειστό» (θα επανέλθουμε σε αυτό αργότερα), ενώ η εικόνα 2 δείχνει τη θέση του LP πάνω στο Cassini.

Το Cassini δημιουργεί και περιβάλλεται από το δικό του δυναμικό, πολύ απλά διότι είναι ένα τεράστιο ηλεκτρονικό σύστημα με πολλά περαιτέρω συστήματα για καθένα από τα όργανά του και τις λειτουργίες του (ραντάρ, προωθητήρες κλπ.), τα οποία χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα για να επικοινωνούν μεταξύ τους. Οπότε το LP πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο μακριά από το διαστημόπλοιο για να μην υπάρχουν παρεμβολές με το δυναμικό του οργάνου, γι’ αυτό και ο βραχίονας το τοποθετεί 1.5 μέτρο μακριά. Αυτό δεν λύνει το πρόβλημα αλλά το περιορίζει αρκετά.

Επίσης, η εικόνα 3 δείχνει όλες (σχεδόν) τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων με το LP. Αφού θέλουμε να μελετήσουμε τα ηλεκτρόνια, μπορούμε να συγκεντρωθούμε στα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια. Αλλά βλέπουμε ότι υπάρχουν επιπρόσθετες πηγές ηλεκτρονίων: τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια**, τα ηλεκτρόνια προερχόμενα από σκεδάσεις, και τα φωτοηλεκτρόνια*** που είναι ο μεγαλύτερος πονοκέφαλος. Κατά την ανάλυση όλα τα ηλεκτρόνια, ανεξαρτήτως πηγής, θα μετρηθούν σαν προσπίπτοντα ηλεκτρόνια του μαγνητοσφαιρικού πλάσματος, κάτι που αποτελεί πρόβλημα.

Επίσης, όπως είπαμε, ο μεγαλύτερος πονοκέφαλος είναι τα φωτοηλεκτρόνια, για τον απλό λόγο ότι παράγονται από την ύπαρξη του διαστημοπλοίου – αν δεν υπήρχε το Cassini και το LP εκεί, δεν θα είχαμε φωτοηλεκτρόνια. Οπότε τα φωτοηλεκτρόνια είναι μια συνεχής πηγή ηλεκτρονίων που επηρεάζει τις μετρήσεις μας.

Υπάρχουν πολλοί άλλοι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τις μετρήσεις του LP, αλλά θα μας έπαιρνε πολλές σελίδες να τις περιγράψουμε όλες. Ελπίζω όμως να πήρατε μια ιδέα για το πώς το περιβάλλον ενός πλανήτη μπορεί να κάνει μια απλή θεωρία για ένα όργανο να καταλήξει εξαιρετικά περίπλοκη.

Ωστόσο, έχουν προταθεί μια σειρά από υποσχόμενες τεχνικές που μπορούν να διορθώσουν κάπως τις μετρήσεις. Για παράδειγμα, βλέποντας πόσο κοντά στην αναμενόμενη κατανομή είναι το μετρούμενο ρεύμα, ή πώς διακυμαίνονται οι μετρήσεις όταν το όργανο είναι στη σκιά του διαστημοπλοίου, ή ακόμα συγκρίνοντας τις μετρήσεις του LP με μετρήσεις άλλων οργάνων. Παρόλα αυτά, λόγω της περιπλοκλότητας του προβλήματος, ακόμα δεν μπορούμε με σιγουριά να φιλτράρουμε τα δεδομένα ώστε να έχουμε μόνο τα μαγνητοσφαιρικά ηλεκτρόνια. Η αναζήτηση συνεχίζεται λοιπόν. Stay tuned!

* Η μαγνητόσφαιρα κάθε πλανήτη περιέχει πλάσμα, το οποίο παράγεται από διάφορες πηγές – αναλόγως του πλανήτη. Στην Γη για παράδειγμα η κύρια πηγή μαγνητοσφαιρικού πλάσματος είναι η ατμόσφαιρά της, ενώ στον Κρόνο είναι κυρίως ο Εγκέλαδος με τα geyser (θερμοί πίδακες) νερού στον Νότιο Πόλο του. Για περισσότερα δείτε εδώ κι εδώ.

** Ηλεκτρόνια που ιονίζονται από την επιφάνεια του οργάνου λόγω της αλληλεπίδρασής τους με τα προσπίπτοντα σωματίδια.

*** Ηλεκτρόνια που ιονίζονται λόγω των ηλιακών ακτίνων: καθώς οι ακτίνες του Ήλιου πέφτουν στις επιφάνειες του Cassini και του οργάνου, η ενέργεια των ακτινών είναι αρκετή για να ιονίσει ηλεκτρόνια από τις επιφάνειες αυτές.