Cosmic dust in the solar-terrestrial physics: exploring the inner heliosphere

Kosmiske støvpartikler er blant de elementære bestanddelene av det interplanetære mediet i vår heliosfære: regionen rundt sola som påvirkes av solvinden og som er beskyttet fra de fleste av partiklene fra det interstellare rommet. ESA prosjektet Solar Orbiter utforsker den indre heliosfæren fra jordas bane og til mindre enn 0.3 AU, der 1 AU er distansen mellom jorda og sola. Romfartøyet måler elektriske felter med antenner, og disse antennene registrerer også kollisjoner med støvpartikler. Samtidig utfører NASA prosjektet Parker Solar Probe liknende observasjoner fra 0.3 AU og innover til noen få solradier fra solen. Begge romfartøyene begynte å operere i 2018 og vil fortsette å observere den indre heliosfæren i mange år framover for å kartlegge regioner der ingen romfartøy har vært tidligere. Den interplanetære støvskyen nær sola er stort sett uutforsket, og det er et åpent spørsmål hvilken rolle de interstellare støvpartikler har nært solen og det er uklart hvor mye støv som blir kastet ut fra solen og forlater solsystemet. Støvet som forlater solsystemet krysser jordas bane og kan da treffe jorda og bidra til strømmen av kosmiske støvpartikler som strømmer in i jordas atmosfære. Prosjektets hovedmål er å studere interaksjonene og strømmen av kosmisk støv i den indre heliosfæren, regionen mellom sola og jordas bane. Det sekundære målet er å bruke data til å beregne strømmen av støv mot jorda der støv påvirker prosesser i den øvre atmosfæren, over 80 km høyde, og muligens også medvirker til å danne nattelysskyer, de høyest observerte skyene på jorda. Under prosjektet har vi utvidet forståelsen av dynamikken til veldig små støvpartikler ved bruk av computermodellering. Støvpartikler med størrelser som er mindre enn en ti-tusendels millimeter, kalt nanopartikler, er sterkt påvirket av deres overflateladninger og elektriske felt. Vi utforsket banene til disse nanopartiklene nær solen og nær andre sol-likende stjerner med andre planeter (kalt eksoplaneter). Vi videreutviklet modeller av støvdestruering fra kollisjoner med partikler fra solvinden og studerte hvordan disse støvpartiklene reduseres i størrelse. Sammen med andre grupper sammenliknet vi støvobservasjoner fra andre romfartøy og med forskjellige parametere for bakgrunns-plasmaet som tillot oss å hente mer informasjon om signalet til støvpartikler som kolliderer med romfartøy. Tidligere beskrivelser av signalet som observeres av ladningsproduksjonen som følge av kollisjoner med støvpartikler er basert på laboratoriums-målinger med en begrenset kapasitet. Vi utviklet en semi-empirisk modell for å beskrive støvkollisjonsprosessen i grensen for lav hastighet som er utenfor hastighetsområdet som tidligere var studert. Ved å sammenlikne de første resultatene av kollisjonsrater observert av Parker Solar med dynamiske kollisjonsmodeller har vi utarbeidet et estimat for strømmen av nano-meter støv mot joden. Vi deltok også i studier for å analysere de første fluksmålingene med Solar Orbiter. Vi utforsket banene til støvpartikler som strømmer inn i solsystemet fra det interstellare rommet og kollisjonshastighetene med Solar Orbiter for slike interstellare støvpartikler. Vi fant at Solar Orbiter kan observere en stor del av det interstellare støvet som strømmer inn i heliosfæren. Vi utviklet maskinerings-verktøy for automatisk å finne støvsignaler i data. Disse verktøyene er offentlig tilgjengelig; bruken av maskinlærings-verktøy øker antallet identifiserte støvpartikler sammenliknet med tidligere metoder. Disse verktøyene øker også hastigheten til data-analysen, som vanligvis er en tidskrevende oppgave. Til slutt har vi utviklet en analysemetode som tar i bruk statistisk Bayes-analyse. Statistisk Bayes-analyse kan også brukes for data med et få antall signaler som tillater oss å utforske mindre datasett. Dette prosjektet inkluderer internasjonalt samarbeid med en rekke institusjoner: Paris Observatory i Frankrike, Space Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Charles University i Praha, Tsjekkia, The Space Science Laboratory ved University of California, Berkeley, USA, Swedish Institute of Space Physics og Umeå University i Sverige og kolleger i Europa, Japan og USA. Prosjektets resultater er viktige for å forstå utviklingen av støv i planetsystemer rundt andre stjerner (eksoplaneter), for å undersøke interstellart støv og for å studere meteorisk materiale som strømmer inn i jordas atmosfære og inn i andre atmosfærer til jord-liknende eksoplaneter. Metodene som er utviklet er offentlig tilgjengelig og kan brukes av forskere som jobber med andre romprosjekter. Masterstudenter og internship-studenter har vært involvert i alle delene av prosjektet og mange av disse studentene har fortsatt i romforskning og romindustri.

The project provides an improved understanding of nanodust trajectories close to Sun and main-sequence stars which supports the investigation of planetary debris discs around stars that host exoplanets. The refined model of the dust destruction and dust erosion by solar wind sputtering that we developed supports the interpretation of the dust composition measurements that are planned for the near future and supports estimating dust lifetimes like in supernovae and in the interstellar medium. We published a first estimate of the nano-meter dust flux onto Earth based on Parker Probe data. We participated in the first dust flux measurements derived from Solar Orbiter observations. We made a description of interstellar dust trajectories and their impact velocities at Solar Orbiter to be used for further analysis of ongoing measurements. Aside from obtaining basic knowledge on the dust in the inner heliosphere, this project makes important contribution to further develop the dust detection with antenna measurements. This is important solar system exploration because antenna experiments operate on many spacecraft: We developed a model to describe the dust impact process in the limit of small impact speed beyond the velocity range covered by previous models. The comparative study of the dust impact signals observed with antennas from different spacecraft and with different parameters of surrounding plasma that we achieved together with our collaborators helps to further strengthen the use of antenna measurements for the observations of dust fluxes. We developed machine learning tools to analyse dust impact signals in antenna data facilitates easier analysis of large data sets. And development data analysis method applying Bayesion statistics helps reliable analysis of smaller samples. Based on the project results we are in a good position to analyse the dust components in the outer solar system based on observations of the NASA mission New Horizon. We continue the investigation of Solar Orbiter and Parker Solar Probe observations and can compare them to other space observations like with STEREO, WIND, BepiColombo, IMAP and Destiny+. This project is an excellent preparation for future research to investigate the interstellar dust in the heliosphere and to investigate the processes of cosmic dust injection into the atmosphere of Earth.

Cosmic dust particles are one of the major constituents of the interplanetary medium of our heliosphere: the region around the Sun that is filled with the solar wind and shielded from the majority of interstellar medium plasma. In the vicinity of the Sun dust destruction generates atoms and ions and dust particles that are ejected from the vicinity of the Sun contribute directly to the flux of cosmic dust material into Earth atmosphere. The up-coming mission Solar Orbiter will explore for more than 7 years the inner heliosphere from Earth orbit to less than 0.3 AU including onboard a radio and plasma waves experiment (RPW) that is able to detect dust impacts. We propose to carry out model calculations and supporting simulations to derive from RPW measurements the fluxes and mass distribution of dust particles. We will also use comparison to observations with similar instruments and first measurements from FIELDS on NASA's Solar Probe Plus. The outcome of the project will be studies of dust fluxes in the inner heliosphere and a set of tools for deriving dust information from the RPW observations during the duration of the mission We will also derive from first observations estimates of the dust flux onto Earth and a plan how to connect RPW observations to studies of dust flux onto Earth with meteor observations of the future EISCAT_3D radar. The project will be carried out at Tromsö University (UiT) with a long experience in cosmic dust and dusty plasma research and we collaborate with international experts in the field. The project manager is about to move to UiT, is member of the RPW and FIELDS science teams, has previously worked with the Ulysses and Galileo dust experiments, and works together with the RPW PI institution on analysing dust impacts in STEREO plasma wave observations.