Met behulp van meer dan 18 jaar aan gegevens van ESA's Cluster-missie, wetenschappers hebben de zware metalen in de ruimte rond de aarde in kaart gebracht, het vinden van een onverwachte verspreiding en prevalentie van ijzer en licht werpen op de samenstelling van onze kosmische omgeving.

De ruimte wordt vaak verondersteld verstoken te zijn van materie, maar technisch gezien is het niet echt leeg:de verdeling van materie is gewoon heel, zeer schaars. In de buurt van de aarde, de ruimte die wetenschappers 'geospace' noemen, is eigenlijk gevuld met geladen deeltjes:een mengsel van elektronen, die een negatieve lading hebben, en positief geladen ionen. Deze ionen zijn belangrijke spelers in de elektrodynamische processen die we in de geo-ruimte zien, en bijdragen aan de turbulente, veranderlijke aard van dit deel van de kosmos.

Een verrassende ontdekking

Een nieuwe studie maakt gebruik van meer dan 18 jaar aan gegevens van ESA's Cluster-missie - gelanceerd in augustus 2000 en nadert zijn 20e verjaardag in de ruimte - om de prevalentie van een belangrijk ion te onderzoeken waarvan men denkt dat het relatief zeldzaam is in de buurt van de aarde:ijzer. Door te graven in Clustergegevens die zijn verzameld van 2001 tot 2018, de onderzoekers ontdekten een onverwachte verdeling van ijzer in de georuimte.

"Hoewel de bedragen klein zijn, overal vonden we ijzer:in het hele geo-ruimtegebied dat door Cluster wordt bestreken, en in de zonnewind nabij de aarde - de voortdurende uitstorting van geladen deeltjes van de zon, " zegt hoofdauteur Stein Haaland van het Max Planck Institute for Solar System Research in Göttingen, Duitsland, en het Birkeland Center for Space Science aan de Universiteit van Bergen, Noorwegen.

"We ontdekten ijzer in ongeveer 10% van de waarnemingen die, gezien de relatieve zeldzaamheid van het ion, is verrassend. We hadden niet verwacht dat we het zo vaak zouden vinden."

Echter, het is niet de aanwezigheid van ijzer zelf die verrassend is, maar eerder de eigenschappen ervan. De JAXA/NASA Geotail-satelliet, die meer dan 25 jaar heeft besteed aan het observeren van de magnetische omgeving van de aarde, had in 2017 enkelvoudig geïoniseerd ijzer in de geospace gedetecteerd. Dit zijn ijzeratomen die alleen zijn ontdaan van de meest externe van hun elektronen. De nieuwe resultaten bevestigen niet alleen deze bevinding, maar zorgen voor een essentieel nieuw deel van het beeld.

"De Cluster-waarnemingen richten zich op een veel hoger energiebereik dan Geotail, en ons een completer beeld geven van de ruimte om ons heen, het detecteren van niet alleen enkelvoudig geïoniseerd ijzer, maar ook meervoudig geïoniseerd ijzer - dit zijn ionen in hogere energetische toestanden die zijn ontdaan van meer dan één elektron, "voegt Stein toe. "IJzer in de zonnewind wordt meestal gezien in hogere ladingstoestanden, dus we hebben dit breder nodig, hoger energiebereik om met name de zonnewind en de impact ervan op de magnetische omgeving van de aarde te begrijpen."

De bron van ijzer in de geospace

Ionen kunnen de georuimte van boven of van onder binnenkomen. Sommige reizen omhoog vanuit de atmosfeer van de aarde, terwijl anderen vanuit de zonnewind naar binnen stromen. De bron van zware metalen, zoals ijzer, wordt nog steeds gedebatteerd - waar komen deze ionen vandaan, en hoe dragen ze bij aan de verschijnselen die we om ons heen zien?

"De Geotail-waarnemingen waren gericht op ijzer dat uit de atmosfeer van de aarde omhoog kwam, en bij vrij lage energieën, " legt Stein uit. "We ontdekten dat er veel meer ijzer uit de zon komt, en bij veel hogere energieën. We hebben ook ijzer gevonden in de regio's boven de poolkappen van de aarde - een locatie die Geotail niet bedekte."

Voortbouwend op eerdere resultaten, de nieuwe studie onderzoekt de mogelijke bron van het geïoniseerde ijzer in meer diepte. Dit is een sleutelfactor bij het begrijpen van de dynamiek en eigenschappen van geo-ruimte, onze magnetosfeer, de zonnewind, en hoe deze structuren elkaar ontmoeten en op elkaar inwerken.

Eerder onderzoek heeft voorgesteld dat detectie van ijzerionen op hogere breedtegraden te wijten kan zijn aan verschillende factoren, inclusief meteorieten die de atmosfeer van de aarde binnendringen en uiteenvallen, deeltjes worden opgetild uit bepaalde lagen van de atmosfeer, of zelfs deeltjes die van de maan worden uitgestoten. Echter, de nieuwe Clusterresultaten tonen geen overtuigend bewijs van een van deze processen; in plaats daarvan, ze suggereren dat het ijzer rechtstreeks uit de zon komt.

"De gegevens over de distributie en aanwezigheid van ijzer varieerden in de loop van de tijd op een manier die overeenkwam met verstoringen in het magnetisch veld van de aarde, en langetermijnschommelingen in zonneactiviteit, ", zegt Stein. "Dit suggereert dat het meeste ijzer in de geo-ruimte afkomstig is van zonnewind die door de magnetosfeer ging, in plaats van omhoog te reizen vanuit de atmosfeer van onze planeet."

Verborgen in de gegevens

Om de samenstelling van geospace in kaart te brengen, Stein en collega's gebruikten Clustergegevens op een onverwachte manier. Ze maakten gebruik van metingen die niet voor wetenschappelijke doeleinden waren verzameld, maar voor operationele diagnostiek van een van de instrumenten van het ruimtevaartuig:RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors).

Het instrument identificeert en karakteriseert de verschillende ionen die het detecteert door hun energie en reistijd in de detector te meten. Voor de gewone wetenschappelijke activiteit, RAPID berekent deze eigenschappen alleen voor waterstof, helium- en zuurstofatomen; echter, voor diagnostische doeleinden, het instrument biedt extra eigenschappen voor een beperkt aantal deeltjes, uitbreiding van het onderzochte bereik tot zwaardere ionen.

Deze metingen dienen om het instrument te kalibreren en ervoor te zorgen dat het werkt zoals bedoeld. Echter, de wetenschappers gebruikten deze diagnostische waarnemingen - in totaal 122.000 uur - om de samenstelling van binnenkomende ionen te bepalen en ijzerdeeltjes te identificeren.

"Het vermogen van RAPID om de ionensamenstelling te meten was essentieel. We hebben samenstellingsmetingen nodig om ons te helpen beter te begrijpen waar de verschillende elementen die op of in de buurt van de aarde worden gevonden vandaan komen, en om onze kosmische omgeving te karakteriseren, " zegt Steen.

De archieven ontginnen

Het begrijpen van de ruimte rondom de aarde is een van de kerndoelen van Cluster. Het kwartet van ruimtevaartuigen, vliegen in formatie rond de aarde, heeft jarenlang in en uit het magnetische veld van onze planeet gelopen, onderzoeken hoe de zon en de aarde op elkaar inwerken en het karakteriseren van de verschijnselen die door deze interacties worden veroorzaakt.

De lange levensduur van de missie en haar brede baan hebben het mogelijk gemaakt om bijna twee decennia aan gegevens te verzamelen over alle nabije-aarde regio's van de ruimte, en grote delen van de zonnewind.

"We hadden deze lange tijdspanne nodig voor ons onderzoek - en dit was alleen mogelijk dankzij het Cluster Science Archive, die gegevens van de beste kwaliteit biedt die de wetenschappelijke gemeenschap kan gebruiken, " voegt co-auteur Patrick Daly toe, ook van het Max Planck Institute for Solar System Research en hoofdonderzoeker van het RAPID-instrument.

"Het kostte veel moeite om dit archief op te zetten, en om voortdurend de zeer hoge normen van kalibratie en betrouwbaarheid te handhaven. Het archief is een eerbetoon aan de talrijke toegewijde ingenieurs, ruimtevaartuigoperators en data-archiveringsteams die ervoor hebben gezorgd dat Cluster operationeel blijft en nog steeds nieuwe, spannend, toegankelijke informatie over de ruimte nabij de aarde."

Opmerkelijk, de datasets in het Cluster Science Archive bevatten gedetailleerde diagnostische gegevens - iets dat gewoonlijk niet in alle missiearchieven wordt opgenomen.

"Dit benadrukt het belang van wetenschappelijke archieven in het algemeen en diagnostische gegevens in het bijzonder, laten zien hoe echt waardevolle informatie uit deze veelzijdige datasets kan worden gehaald om geavanceerde wetenschappelijke resultaten te produceren, " zegt Philippe Escoubet, ESA-clusterprojectwetenschapper.

"Het laat ook mooi zien hoe onderzoek voortdurend evolueert en vooruitgaat. Het detecteren van ijzer zou een totaal onverwacht resultaat zijn geweest toen Cluster voor het eerst werd gelanceerd, maar de missie blijft een schat aan gegevens over de omgeving van de aarde opleveren."