Je kunt ze niet zien, maar zwermen elektronen zoemen door de magnetische omgeving - de magnetosfeer - rond de aarde. De elektronen draaien en duiken rond de planeet in een complexe dans die wordt gedicteerd door de magnetische en elektrische velden. Als ze dicht genoeg bij de aarde in de magnetosfeer doordringen, de hoogenergetische elektronen kunnen satellieten in een baan om de aarde beschadigen en aurora's veroorzaken. Wetenschappers met NASA's Magnetospheric Multiscale, of MMS, missie de dynamiek van de elektronen bestuderen om hun gedrag beter te begrijpen. Een nieuwe studie, gepubliceerd in Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek onthulde een bizar nieuw type beweging vertoond door deze elektronen.

Elektronen in een sterk magnetisch veld vertonen meestal een eenvoudig gedrag:ze draaien strakke spiralen langs het magnetische veld. In een zwakker veldgebied, waar de richting van het magnetische veld omkeert, de elektronen gaan de vrije loop - stuiteren en kwispelen heen en weer in een soort beweging die Speiser-beweging wordt genoemd. Nieuwe MMS-resultaten laten voor het eerst zien wat er gebeurt in een veld met gemiddelde sterkte. Dan dansen deze elektronen een hybride, meanderende beweging - spiralend en stuiterend voordat ze uit het gebied worden uitgeworpen. Deze beweging neemt een deel van de energie van het veld weg en speelt een sleutelrol bij magnetische herverbinding, een dynamisch proces, die explosief grote hoeveelheden opgeslagen magnetische energie kan vrijgeven.

"MMS laat ons de fascinerende realiteit zien van magnetische herverbinding die daar plaatsvindt, " zei Li-Jen Chen, hoofdauteur van de studie en MMS-wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Terwijl MMS rond de aarde vloog, het ging door een gebied met een magnetisch veld van matige sterkte waar elektrische stromen in dezelfde richting lopen als het magnetische veld. Dergelijke gebieden staan ​​bekend als tussenliggende geleidingsvelden. Terwijl binnen de regio, de instrumenten registreerden een merkwaardige interactie van elektronen met het huidige blad, de dunne laag waar de stroom doorheen gaat. Toen de binnenkomende deeltjes de regio ontmoetten, ze begonnen in spiralen langs het gidsveld te draaien, zoals ze doen in een sterk magnetisch veld, maar in grotere spiralen. De MMS-waarnemingen zagen ook handtekeningen van de deeltjes die energie uit het elektrische veld haalden. Het duurde niet lang, de versnelde deeltjes ontsnapten aan de huidige plaat, hogesnelheidsstralen vormen. In het proces, ze namen een deel van de energie van het veld weg, waardoor het geleidelijk verzwakt.

De magnetische veldomgeving waar de bewegingen van de elektronen werden waargenomen, werd op unieke wijze gecreëerd door magnetische herverbinding, waardoor het huidige vel stevig werd opgesloten door opeengehoopte magnetische velden. De nieuwe resultaten helpen de wetenschappers de rol van elektronen bij het opnieuw verbinden beter te begrijpen en hoe magnetische velden energie verliezen.

MMS meet de elektrische en magnetische velden waar het doorheen vliegt, en telt elektronen en ionen om hun energieën en bewegingsrichtingen te meten. Met vier ruimtevaartuigen die in een compacte, piramidevorming, MMS is in staat om de velden en deeltjes in drie dimensies te zien en naar kleinschalige deeltjesdynamica te kijken, op een manier die nog nooit eerder is bereikt.

"De tijdresolutie van MMS is honderd keer sneller dan eerdere missies, " zei Tom Moore, senior projectwetenschapper voor MMS bij NASA's Goddard Space Flight Center. "Dat betekent dat we eindelijk kunnen zien wat er in zulke smalle lagen aan de hand is en beter kunnen voorspellen hoe snel herverbinding plaatsvindt in verschillende omstandigheden."

Het begrijpen van de snelheid van herverbinding is essentieel voor het voorspellen van de intensiteit van het vrijkomen van explosieve energie. Herverbinding is een belangrijk proces voor het vrijgeven van energie in het hele universum en wordt verondersteld verantwoordelijk te zijn voor sommige schokgolven en kosmische straling. Zonnevlammen op de zon, die ruimteweer kan veroorzaken, worden ook veroorzaakt door magnetische herverbinding.

Met twee jaar onder de riem, MMS heeft nieuwe en verrassende fenomenen in de buurt van de aarde onthuld. Deze ontdekkingen stellen ons in staat om de dynamische ruimteomgeving van de aarde beter te begrijpen en hoe deze onze satellieten en technologie beïnvloedt.

MMS gaat nu naar een nieuwe baan die het door magnetische herverbindingsgebieden aan de kant van de aarde verder van de zon zal voeren. In deze regio, het gidsveld is doorgaans zwakker, dus MMS kan meer van dit soort elektronendynamica zien.