Wanneer de zonnewind - die in feite een stuwende regen is van geladen deeltjes van de zon - het beschermende magnetische veld van de aarde raakt, de schok genereert rilling, turbulente magnetische velden die de planeet omhullen en zich over honderdduizenden kilometers uitstrekken.

Waar gaat al die turbulente energie heen?

Een van NASA's ruimteweermissies, genaamd Magnetospheric Multiscale of MMS, heeft een verrassende manier ontdekt waarop deze turbulente energie wordt afgevoerd:de magnetische energie wordt omgezet in snelle elektronenstralen wanneer de magnetische velden breken en opnieuw verbinden.

De ontdekking zal wetenschappers helpen de rol te begrijpen die magnetische herverbinding elders in de ruimte speelt, bijvoorbeeld, bij het verhitten van de onverklaarbaar hete zonnecorona - de buitenste atmosfeer van de zon - en het versnellen van de supersonische zonnewind. NASA's aanstaande Parker Solar Probe-missie zal deze zomer rechtstreeks in de richting van de zon worden gelanceerd om precies die verschijnselen te onderzoeken. gewapend met dit nieuwe begrip van magnetische herverbinding nabij de aarde.

En aangezien magnetische herverbinding overal in het universum plaatsvindt, wat wetenschappers over onze planeet leren - wat gemakkelijker te onderzoeken is - kan worden toegepast op andere processen verder weg.

"MMS ontdekte elektron magnetische herverbinding, een nieuw proces dat veel verschilt van de standaard magnetische herverbinding die plaatsvindt in rustigere gebieden rond de aarde, " zei Tai Phan, een senior fellow in het Space Sciences Laboratory aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Deze bevinding helpt wetenschappers te begrijpen hoe turbulente magnetische velden energie door de kosmos verspreiden."

Phan is hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen worden beschreven die deze week in het tijdschrift zullen worden gepubliceerd Natuur .

"Turbulentie komt overal in de ruimte voor:op de zon, in de zonnewind, interstellair medium, dynamo's, accretieschijven rond sterren, in actieve jets van galactische kernen, supernova overblijfsel schokken en meer, " zei Michael Shay van de Universiteit van Delaware, een co-auteur van het artikel.

Turbulente magnetische velden zijn anders

Standaard magnetische herverbinding wordt waargenomen in de relatief rustige magnetosfeer van de aarde, dat is als een magnetisch krachtveld dat de planeet beschermt tegen de intense zonnewind. Binnen deze regio is golvende magnetische velden kunnen elkaar kruisen, breken en opnieuw verbinden; de weer verbonden magnetische veldlijnen klikken als een rubberen band en slingeren geïoniseerde atomen met hoge snelheid door de magnetosfeer.

De ionenstralen, wiggen van geïoniseerde waterstofatomen die in tegengestelde richtingen wegschieten, verhit de gassen rond de aarde en drijft het ruimteweer aan. Sommige geladen deeltjes worden naar de noord- en zuidpool geleid, waar ze botsen met atomen in de atmosfeer en de aurora's creëren.

Het nieuwe proces vindt verder van het aardoppervlak plaats, in een turbulente zone waar de zonnewind een schokgolf raakt die de aarde omringt en drastisch vertraagt. Tweemaal de breedte van de aarde zelf, deze zone - de magnetoschacht - is zeer turbulent.

"De turbulentie in de magnetoschacht bevat veel magnetische energie, Phan zei. "Mensen hebben gedebatteerd over hoe deze energie wordt afgevoerd, en magnetische herverbinding is een van de mogelijke processen."

Phan en zijn collega's gebruikten gegevens van de MMS om te bewijzen dat het nieuwe magnetische herverbindingsproces van elektronen op kleinere schaal plaatsvindt in turbulentie en elektronenstralen creëert in plaats van ionen. De elektronen bewegen ongeveer 40 keer sneller dan ionen die worden versneld door standaard herverbinding.

"We hebben nu bewijs dat heraansluiting inderdaad turbulente energie in de magnetoschacht verdrijft, maar het is een nieuw soort herverbinding, "zei Shay.

Kunnen magnetische velden te turbulent zijn om opnieuw te verbinden?

Magnetische herverbinding is ontelbare keren waargenomen in de magnetosfeer, maar altijd onder rustige omstandigheden. De nieuwe gebeurtenis vond plaats in de magnetoschacht net buiten de buitengrens van de magnetosfeer. Eerder, wetenschappers wisten niet of herverbinding daar kon plaatsvinden, omdat het plasma in die regio erg chaotisch is, zei Phan.

MMS ontdekte dat dit wel het geval is, maar op schalen die veel kleiner zijn dan eerdere ruimtevaartuigen konden onderzoeken en theorie zou voorspellen. Omdat het alleen om elektronen gaat, het bleef verborgen voor wetenschappers die op zoek waren naar de veelbetekenende handtekening van standaard magnetische herverbinding:ionenstralen.

"We denken dat dit komt omdat de elektronen snel en licht zijn en gemakkelijk kunnen deelnemen, maar de langzame en zware protonen kunnen dat niet, " zei Jonathan Eastwood, een docent aan het Imperial College London en een co-auteur van het papier. "Algemeen, dit resultaat opent nieuwe onderzoeksgebieden naar turbulente herverbinding."

MMS bestaat uit vier identieke ruimtevaartuigen die in een piramide- of tetraëdrische formatie vliegen om magnetische herverbinding rond de aarde in drie dimensies te bestuderen. Omdat het ruimtevaartuig ongelooflijk dicht bij elkaar vliegt - op een gemiddelde afstand van slechts vier en een halve mijl - zijn ze in staat om fenomenen waar te nemen die niemand eerder heeft gezien. Verder, De instrumenten van MMS zijn ontworpen om gegevens vast te leggen met snelheden die 100 keer sneller zijn dan eerdere missies.

Ook al zijn de instrumenten aan boord van MMS ongelooflijk snel, ze zijn nog steeds te traag om turbulente herverbinding in actie vast te leggen, waarvoor het observeren van smalle lagen snel bewegende deeltjes door de terugspringende veldlijnen wordt geslingerd. Vergeleken met standaard heraansluiting, waarin brede stralen van ionen uit de plaats van heraansluiting stromen, turbulente herverbinding werpt smalle elektronenstralen uit die slechts een paar mijl breed zijn.

Maar MMS-wetenschappers waren in staat om het ontwerp van één instrument te benutten, het snelle plasmaonderzoek, om een ​​techniek te ontwikkelen waarmee ze tussen de regels door konden lezen en extra datapunten konden verzamelen om de jets op te lossen.

"De belangrijkste gebeurtenis van het papier vindt plaats in 45 milliseconden. Dit zou één gegevenspunt zijn met de reguliere gegevens, " zei Amy Rager, een afgestudeerde student aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington, gelijkstroom, die bij NASA's Goddard Space Flight Center werkte om de techniek te ontwikkelen. "Maar in plaats daarvan kunnen we met deze methode zes tot zeven datapunten in die regio krijgen, waardoor we begrijpen wat er gebeurt."

Met de nieuwe methode de MMS-wetenschappers hopen dat ze bestaande datasets kunnen doorzoeken om meer van deze gebeurtenissen te vinden, en mogelijk ook andere onverwachte ontdekkingen.