Tracing the Boundary of the South Atlantic Anomaly Region with SPHEREx Transient Flagging Rates

Resumen Técnico: Rastreo del Límite de la Región de la Anomalía del Atlántico Sur con las Tasas de Marcado de Transitorios de SPHEREx

Planteamiento del Problema
La Anomalía del Atlántico Sur (SAA, por sus siglas en inglés) es una región donde la fuerza del campo magnético terrestre disminuye significamente, permitiendo que partículas de alta energía de los cinturones de radiación de Van Allen penetren a altitudes más bajas. Este fenómeno plantea un desafío crítico para los satélites en Órbita Terrestre Baja (LEO), particularmente aquellos equipados con detectores sensibles, ya que provoca eventos transitorios (por ejemplo, rayos cósmicos) que pueden saturar los píxeles y corromper los datos. Aunque la ubicación general de la SAA es conocida, sus límites se desplazan con el tiempo y sus efectos varían según las condiciones geomagnéticas. El monitoreo existente se basa en registros terrestres o mediciones específicas del flujo de partículas. El satélite NASA SPHEREx, lanzado en marzo de 2025 para realizar un sondeo de todo el cielo en el infrarrojo cercano, encuentra estos altos índices de transitorios con frecuencia. El desafío abordado en este artículo es la utilización de los datos operativos de SPHEREx —específicamente el marcado en tiempo real de eventos transitorios— para mapear el límite de la SAA e identificar otras regiones geomagnéticas de alto flujo de partículas, proporcionando una referencia para futuras misiones.

Metodología
El estudio utiliza datos recolectados por SPHEREx entre mayo de 2025 y abril de 2026, que comprenden 206,379 observaciones. La metodología se basa en el algoritmo de detección de transitorios en tiempo real a bordo del satélite aplicado a sus seis detectores HAWAII-2RG (H2RG).

1. Algoritmo de Detección de Transitorios: Durante las integraciones de 115 segundos, la electrónica de control del instrumento (ICE) calcula la pendiente de la fotocorriente para cada píxel. Un algoritmo estadístico compara el valor actual del píxel contra una predicción basada en las cuatro lecturas previas. Si la desviación excede un umbral definido por parámetros de ruido configurables ($K_{EN}$ para ruido blanco y $K_{SN}$ para ruido de disparo), se establece un marcador de transitorio.
2. Filtrado y Marcado de Datos:
   • Marcado de la SAA: Las exposiciones tomadas cuando se predice que la nave espacial se encuentra dentro de una zona SAA predefinida (basada en la latitud/longitud de la traza terrestre) se marcan y se excluyen del procesamiento científico estándar.
   • Marcado de Altos Transitorios: Se implementó un segundo corte para las observaciones "no-SAA". Si cualquier detector en una exposición excede una tasa de impactos transitorios de $\sim10\%$ (aproximadamente 435,000 píxeles), la exposición se marca para reobservación.
3. Mapeo: Los autores agregan las tasas de marcado de transitorios (porcentaje de píxeles marcados por exposición) a través de los seis detectores. Construyen un mapa bidimensional en una cuadrícula de $2^\circ \times 2^\circ$ (aprox. $250 \times 250$ km a 670 km de altitud) para visualizar la distribución espacial de las tasas de transitorios.
4. Correlación Geomagnética: El estudio correlaciona estas tasas de transitorios con la ubicación de la traza terrestre de la nave espacial y compara los mapas resultantes contra los límites conocidos de la SAA y las ubicaciones de los polos geomagnéticos. Las variaciones se analizan a través de diferentes niveles de perturbación geomagnética, incluyendo periodos de baja actividad solar y periodos de fuertes tormentas solares (por ejemplo, noviembre de 2025, enero-febrero de 2026).

Resultados Clave

• Distribución de la Tasa de Transitorios: Las observaciones de la SAA exhiben tasas de transitorios extremadamente altas, alcanzando $>80\%$ de los píxeles, lo que las hace inadecuadas para el análisis astrofísico. En contraste, las observaciones no-SAA generalmente muestran tasas $<10\%$, aunque un subconjunto ($\sim1.5\%$ de las exposiciones no-SAA totales) supera el umbral del $10\%$.
• Varianza de los Detectores: Los detectores 4–6 (corte de 5.0 $\mu$m) registran consistentemente tasas de transitorios más altas que los detectores 1–3 (corte de 2.5 $\mu$m). Esto se atribuye a la menor brecha de energía efectiva de las matrices de 5.0 $\mu$m, lo que resulta en una menor profundidad de pozo y una mayor probabilidad de eventos de "bola de nieve" (rayos cósmicos que se propagan a través de múltiples píxeles).
• Rastreo del Límite de la SAA: El mapa de las tasas de transitorios traza claramente la SAA. El centroide de la tasa de impactos transitorios se alinea con modelos previos. El límite operativo predefinido de la SAA captura exitosamente $\sim77\%$ de las observaciones de altos transitorios.
• Polos Geomagnéticos y Anomalías: Más allá de la SAA, las tasas de transitorios revelan dos regiones ovales distintas de flujo elevado centradas en los polos geomagnéticos Norte y Sur. Además, se observaron cúmulos dispersos de altas tasas de transitorios en el Hemisferio Sur al oeste de la SAA, distintos de los polos, lo que potencialmente indica regiones de menor escala de debilidad en la intensidad del campo magnético.
• Estabilidad Temporal: Si bien el número absoluto de impactos transitorios aumenta durante periodos de fuerte perturbación geomagnética (tormentas solares), los límites espaciales de la SAA (definidos por contornos de tasa de transitorios del 1% y 2%) permanecen relativamente estables. La tasa de reobservación para las exposiciones no-SAA sigue la actividad solar, aumentando de un promedio de 1.45% en los primeros seis meses a 2.21% en los seis meses subsiguientes.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo postula que, si bien SPHEREx es una misión de astrofísica, sus datos de sondeo proporcionan una medición global y continua de la respuesta de la atmósfera superior al flujo de partículas, ofreciendo un método novedoso para monitorear la SAA. La contribución principal es la presentación del límite de la SAA trazado por los marcadores de transitorios de SPHEREx, sirviendo como referencia para futuras misiones espaciales que operen en LEO.

Los autores afirman modestamente que este método demuestra la utilidad de los datos "incidentales" (marcadores de transitorios destinados al control de calidad de datos) para la investigación de la heliofísica y la meteorología espacial. El artículo no propone nuevos protocolos operativos para otras misiones, sino que sugiere que las tasas de transitorios registradas por SPHEREx pueden utilizarse para sondear las variaciones temporales en las condiciones geomagnéticas. El trabajo destaca que el límite de la SAA, tal como lo definen los transitorios inducidos por partículas, es una característica robusta que persiste incluso durante las tormentas solares, aunque la intensidad del flujo general varía. El estudio concluye que los datos de SPHEREx pueden mapear eficazmente la SAA y los polos geomagnéticos, complementando los modelos existentes derivados de mediciones de flujo de partículas y modelado de campos magnéticos.