Brist på UV-ljus ger ny bild av det stoft kometer består av / Lack of UV brings new understanding of cometary dust into light

Den 15 januari disputerar Fredrik Leffe Johansson, Institutet för rymdfysik, IRF, och Uppsala universitet på sin doktorsavhandling som bland annat förklarar varför stoftpartiklar i vissa storlekar nästan helt saknas i närheten av kometen 67P.

Avhandlingen Rosetta Observations of Plasma and Dust at Comet 67P bygger på dataanalys av mätningar gjorda av instrument, så kallade Langmuirprober, från IRF i Uppsala som fanns ombord på den europeiska rymdorganisationen ESA:s rymdfarkost Rosetta. Under åren 2014-2016 utfördes mer detaljerade mätningar av rymdmiljön runt en komet än vad som någonsin gjorts tidigare.

Instrumentet kan liknas vid en rymdväderstation för att mäta täthet, temperatur, elektriska fält och vindhastighet hos elektriskt laddade partiklar runt kometen 67P.

Med en förbättrad analysmetod kunde Fredrik använda instrumentet till att mäta intensiteten hos ultraviolett ljus (UV). Han upptäckte att bara hälften av solens UV-ljus når genom det stora stoftmoln som syns som en komet på natthimlen. Det här går inte ihop med Rosettas stoftmätningar som huvudsakligen visar stora korn, vilka inte nämnvärt kan påverka UV-ljuset.

I avhandlingen föreslås att det kan bero på att stora stoftkorn så småningom splittras till många små. På långt avstånd från kometens kärna kan det därmed finnas gott om även mycket små partiklar som mer effektivt kan absorbera och sprida UV-ljuset innan det når Rosetta.

”Avsaknaden av stoft i de minsta storlekarna var en de mest förvånande resultaten från Rosettas mätningar av kometstoft, men med lite detektivarbete gick det att förstå varför. Resultaten bidrar till en ny förståelse av det stoft kometkärnans inre består av, och i vilken miljö den formades i för 4,6 miljarder år sedan”, säger Fredrik Leffe Johansson som är född i Torsby och uppvuxen i Lugnvik, Östersund.

Avhandlingen omfattar även undersökningar av störningar i mätningar med IRF:s instrument. I den speciella miljön runt kometen visade sig Rosetta få oväntat stark elektrisk laddning. Uppladdningen visade sig bero på egenheter hos farkostens stora ytor med solceller. När Fredrik förstod hur uppladdningen fungerar kunde uppladdningen användas för att få fram noggranna mätningar av snabba variationer i rymdplasmat, som inte kunnat mätas på annat sätt.

”Jag har lärt mig hur man bättre designar rymdfarkoster men också hur man ibland kan vända ett problem till en tillgång. Förhoppningsvis har jag också förklarat varför komet 67P:s stoft verkade så annorlunda från andra kometer”, säger Fredrik.

Disputationen sker online fredag den 15 januari klockan 13.15. Opponent är Dr. Nicolas André, IRAP, Toulouse, Frankrike.

Mer information: 
IRF: www.irf.se
Avhandlingen: http://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1502859&dswid=-746
Disputationen: https://uu-se.zoom.us/j/67552597754

Kontakt:
Fredrik Leffe Johansson, doktorand, Institutet för rymdfysik och Uppsala universitet
frejon@irfu.se, +46 73 715 87 22

...............................................................................................................................

(ENG)

On the 15th of January, Fredrik Leffe Johansson of the Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Uppsala University, defends his doctoral thesis, which attempts to explain why the smallest dust grains near comet 67P were absent.

The dissertation, titled Rosetta Observations of Plasma and Dust at Comet 67P, is based on data analysis of measurements made by the Langmuir Probe instrument, made by IRF Uppsala, on the European Space Agency’s spacecraft Rosetta. From 2014 to 2016, the spacecraft monitored the environment of a comet in more detail than ever made before.

The Langmuir Probe can be likened with a “Space weather station”, capable of measuring densities, temperatures, electric fields and wind speeds of electrically charged particles (plasma), around comet 67P.

With an improved analysis method, Fredrik was able to use the instrument to measure the intensity of the ultraviolet (UV) light. He discovered that only half of the UV-light from the sun reaches through the dust cloud that surrounds the comet nucleus. Apart from the comet tail(s), it is this dust cloud that we see when we observe a comet on the night sky. The discovery does not fully agree with the otherwise puzzling dust measurements made on Rosetta, which primarily finds large dust grains, in amounts that cannot substantially affect the UV-light.

The explanation presented in the thesis relies on larger dust grains eroding to many smaller grains shortly after being expelled by the comet. At great distances from the cometary nucleus we can therefore expect large amounts of smaller grains, that efficiently absorb and scatter UV light before it reaches Rosetta

”The absence of cometary dust grains of the smallest sizes was one of the most unexpected results from the dust grain measurements on Rosetta. However, with some detective work, we realized how that could be. This result yields a new understanding of the dust the cometary nucleus is made of, and of the environment the comet was formed in, a few billion years ago”, Fredrik explains.

The dissertation also covers an investigation of disturbances with measurements made by the Langmuir Probe. In this rather unique environment, the Rosetta spacecraft was unexpectedly negatively charged. It turns out that this significant spacecraft charging depending on intricate details of the Rosetta solar panels. When Fredrik revealed the spacecraft charging behaviour in detail, this disturbance was used to probe fast variations of the cometary plasma, which could not have been probed by any other means.

”I’ve learned how not to design spacecraft for similar environments, but also how to use a problem to our advantage. Hopefully, I’ve also managed to explain why the dust of comet 67P seemed so different from other comets”, Fredrik adds.

The dissertation is to be publicly examined online on Friday 15 January 2021 at 13:15. The faculty examiner is Dr Nicolas André of IRAP (Toulouse, France).

More information: 
IRF: www.irf.se
Doctoral thesis: http://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1502859&dswid=-746
PhD. defence: https://uu-se.zoom.us/j/67552597754

Contact:
Fredrik Leffe Johansson, PhD, Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Uppsala University
frejon@irfu.se, +46 73 715 87 22

* Image: The nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko in two different illumination conditions that highlight the different expressions of cometary activity. Image Credit: ESA/ROSETTA/OSIRIS/NAC *

Fredrik Leffe Johansson. Photo: private