Kwik, de planeet die het dichtst bij de zon staat, deelt met de aarde het onderscheid dat het een van de twee bergachtige planeten in het zonnestelsel is met een wereldwijd magnetisch veld dat het afschermt tegen kosmische straling en de zonnewind. Nu onderzoekers, onder leiding van natuurkundige Chuanfei Dong van het Princeton University Center for Heliophysics en het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), hebben het eerste gedetailleerde model van de interactie tussen de gemagnetiseerde wind en het magnetische veld ontwikkeld, of magnetosfeer, die de planeet omringt - bevindingen die zouden kunnen leiden tot een beter begrip van het sterkere veld rond de aarde.

Basis gereedschap

Dong gebruikte een nieuwe driedimensionale simulatiecode genaamd "Gkeyll" die de fysica van gedrag op microschaal in een geavanceerd macroschaalmodel opneemt. De simulatie zal een basisinstrument opleveren voor de BepiColombo-missie met twee satellieten op weg naar Mercurius, waarvoor Dong mede-onderzoeker is van een suite van vier instrumenten aan boord van het ruimtevaartuig. De internationale missie, genoemd naar wijlen wiskundige Giuseppe (Bepi) Colombo van de Universiteit van Padua en gelanceerd door Europese en Japanse ruimtevaartorganisaties in 2018, is gepland om Mercurius te bereiken en in 2025 in een baan om de aarde te beginnen. "We zullen numerieke informatie leveren op basis van het model dat de missie zal helpen haar bevindingen te begrijpen, " zei Dong, hoofdauteur van een paper waarin het model wordt beschreven in Geofysische onderzoeksbrieven .

Plasma, de toestand van materie die bestaat uit positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen, vormt 99 procent van het zichtbare heelal. Magnetische herverbinding, de samensmelting en gewelddadige scheiding van de magnetische veldlijnen in plasma, regelt de Mercurius magnetosfeer, die veel kleiner maar veel dynamischer is dan die van de aarde. Herverbinding vindt plaats wanneer de zonnewind de magnetosfeer van Mercurius raakt, waardoor zijn magnetisch veld van de voorkant circuleert, of dagzijde, van de magnetosfeer naar achteren, of nachtzijde, waar opnieuw verbinding wordt gemaakt en het veld terugkeert naar de dagzijde.

Het onderzoeksteam heeft de fysica van dit proces vastgelegd door een ongekende 10 verschillende variabelen te simuleren met Gkeyll. Het model legt belangrijke aspecten vast van de beweging van de elektronen nabij de herverbindingsplaats, een belangrijk maar weinig begrepen aspect van het proces, en komt goed overeen met waarnemingen van het NASA Mercury Surface, Ruimte Milieu, Geochemistry and Ranging (MESSENGER) satelliet die van 2011 tot 2015 in een baan om Mercurius draaide.

Beide kanten nu

Hoewel de MESSENGER met één satelliet niet tegelijkertijd gegevens van de dag- en nachtzijde van Mercurius kon verzamelen, de BepiColombo-missie met twee satellieten zal beide zijden van de magnetosfeer verkennen. In aanvulling, sinds de periapsis van MESSENGER, of pad het dichtst bij Mercurius, bevond zich op het noordelijk halfrond, het zuidelijk halfrond en zijn magnetisch veld zijn nog niet volledig onderzocht. De BepiColombo-missie zal beide halfronden bestrijken.

Een bijzonderheid van Mercurius is dat zijn magnetisch veld ongeveer drie keer sterker is op het noordelijk halfrond dan op het zuidelijk halfrond. in tegenstelling tot de aarde, waar de velden in principe hetzelfde zijn. Het genereren van de velden in beide planeten is het verschuivende vloeibare ijzer in hun elektrisch geleidende gesmolten kernen. In Mercurius strekt de ongewoon grote kern zich uit over 80 procent van de straal van het binnenste, het veld stevig koppelen aan de kern die het creëert.

Dankzij het nieuwe model konden Dong en zijn team veel belangrijke kenmerken van de magnetosfeer van Mercurius verkennen, zoals herverbinding in de grens tussen de zonnewind en het magnetische veld en het heen en weer fietsen van het veld. Het model onthulde de essentiële rol van elektronenfysica in het herverbindingsproces, wat "botsingloos" is omdat de ver van elkaar verwijderde plasmadeeltjes in de ruimte niet vaak botsen. Het model onthulde verder dat de nauwe koppeling tussen de magnetosfeer en de grote ijzeren kern Mercurius helpt beschermen tegen erosie door de zonnewind.

Cruciale stap

Deze bevindingen, zei Dong, "vertegenwoordigen een cruciale stap in de richting van een innovatieve revolutionaire benadering" voor een beter begrip van de fysica achter het contact van de zonnewind met de scheve magnetosfeer van de planeet die het dichtst bij de zon staat. "Chuanfei's werk is een waardevolle mijlpaal in het valideren van onze poging om ruimteweer in planeten te modelleren, en om voorspellingen te doen over zowel lage intensiteit als extreme ruimteweergebeurtenissen op aarde, " zei Amitava Bhattacharjee, directeur van het Princeton Centre for Heliophysics en co-auteur van het artikel.