Hoewel ruimtevaartuigen krachtige hulpmiddelen zijn voor het bestuderen van de werkelijke ruimteomgeving, is de planetaire magnetosfeer een enorm en complex systeem dat moeilijk in zijn geheel te begrijpen is. Bovendien is het voor mensen niet gemakkelijk om de ruimteomgeving te manipuleren.

Integendeel, laboratoriumomgevingen stellen ons in staat een vereenvoudigd onderzoeksobject te creëren dat wordt geëxtraheerd uit de complexe eigenschappen van de natuur in een gecontroleerde omgeving. Daarom wordt verwacht dat experimentele studies een complementaire rol zullen spelen in de observatie en theorie van het begrijpen van kooremissies. Het is echter niet eenvoudig om een ​​magnetosferische omgeving in het laboratorium te creëren. Laboratoriumexperimenten met chorusemissies in een magnetosferisch dipoolmagneetveld zijn tot nu toe nog nooit uitgevoerd.

Een onderzoeksteam van het National Institute for Fusion Science in Toki, Japan, en de Graduate School of Frontier Sciences van de Universiteit van Tokyo in Kashiwa, Japan, heeft met succes laboratoriumstudies uitgevoerd naar de chorus-emissie in de fluitmodus met behulp van het RT-1-apparaat. Deze "kunstmatige magnetosfeer" heeft een magnetisch zwevende supergeleidende spoel om in het laboratorium een ​​dipoolmagnetisch veld van het planetaire magnetosfeertype te creëren.

Met behulp van supergeleidende technologie bij hoge temperaturen wordt een spoel van 110 kg magnetisch in een vacuümvat laten zweven, en het gegenereerde magnetische veld beperkt het plasma. Deze unieke opstelling maakt werking mogelijk zonder mechanische ondersteuningsstructuren voor de spoel, waardoor het mogelijk wordt plasma te genereren in een omgeving die lijkt op die van een planetaire magnetosfeer, zelfs binnen een faciliteit op de grond.

In deze studie vulde het onderzoeksteam het vacuümvat van de RT-1 met waterstofgas en injecteerde het microgolven om hoogwaardig waterstofplasma te creëren, voornamelijk door elektronen te verwarmen.

Bij de experimenten werden in verschillende toestanden plasma's gegenereerd en werd onderzoek gedaan naar het genereren van golven. Bijgevolg werd een spontane productie van de fluitsignaalkoor-emissie waargenomen wanneer het plasma een aanzienlijke hoeveelheid hoge-temperatuurelektronen bevatte.

Er werden ook metingen gedaan van de sterkte en frequentie van de chorus-emissie uit het plasma, waarbij de nadruk lag op de dichtheid en de toestand van de hoge-temperatuurelektronen.

De bevindingen, gepubliceerd in Nature Communications , onthulde dat het genereren van een chorus-emissie wordt aangedreven door een toename van elektronen op hoge temperatuur, verantwoordelijk voor de plasmadruk. Bovendien had het verhogen van de algehele plasmadichtheid tot gevolg dat de generatie van de chorus-emissie werd onderdrukt.

Door deze studie werd duidelijk dat de chorusemissie een universeel fenomeen is dat voorkomt in plasma met elektronen op hoge temperatuur in een eenvoudig dipoolmagnetisch veld. Eigenschappen die in het experiment aan het licht zijn gekomen, waaronder de condities van het uiterlijk en de voortplanting van golven, kunnen ons begrip van de chorus-emissie en aanverwante verschijnselen die in de georuimte worden waargenomen vergroten.

Elektromagnetische golven van een kooremissie hebben het potentieel om hete elektronen verder te versnellen naar hogere energietoestanden, wat leidt tot de vorming van aurorae en satellietstoringen. Deze elektromagnetische golven spelen, samen met energetische deeltjes, een cruciale rol bij ruimteweerfenomenen.

Wanneer zich in de georuimtevaart explosieve gebeurtenissen (fakkels) voordoen op het zonneoppervlak, veroorzaken deze magnetische stormen, die grote fluctuaties in het elektromagnetische veld veroorzaken en grote hoeveelheden energetische deeltjes genereren. Dit veroorzaakt niet alleen satellietstoringen en heeft gevolgen voor de ozonlaag, maar het is ook bekend dat het de stroom- en communicatienetwerken op de grond verstoort.

Met de uitbreiding van de menselijke activiteit vandaag de dag is het begrijpen van ruimteweerfenomenen steeds belangrijker geworden. Talrijke mechanismen en verschijnselen op dit gebied blijven echter onopgelost. De uitkomst van deze studie zal naar verwachting bijdragen aan een beter begrip van de mechanismen achter de diverse ruimteweerfenomenen.

Op het gebied van fusieplasma, dat tot doel heeft uiteindelijk energieproblemen op te lossen, is het verlies van deeltjes en structuurvorming als gevolg van interactie met golven een van de centrale onderzoeksvraagstukken. Een nauwkeurig begrip van de complexe interacties tussen spontaan aangeslagen golven en plasma is essentieel voor het bereiken van fusie.

Golfverschijnselen met frequentievariaties zijn op grote schaal waargenomen in plasma's met hoge temperatuur voor fusie, wat wijst op het bestaan ​​van een gedeeld fysiek mechanisme met de kooremissie.

De bevindingen uit deze studie vertegenwoordigen een stap voorwaarts in het begrijpen van de algemene fysische verschijnselen die worden aangetroffen in zowel fusie- als ruimteplasma's. Er wordt verwacht dat toekomstig onderzoek verder zal vorderen naarmate de samenwerking tussen deze twee velden toeneemt.>

Whistler-golven zijn een van de fundamentele golven die zich voortplanten in plasma. In kooremissies die rond geospace en Jupiter worden waargenomen, komen herhaaldelijk fluctuaties voor met frequentievariaties die lijken op vogelgezang. Er wordt aangenomen dat ze nauw verwant zijn aan aurorae en ruimteweerfenomenen, zoals de productie en het transport van hoogenergetische elektronen.

Meer informatie: Haruhiko Saitoh et al, Experimenteel onderzoek naar kooremissie in een kunstmatige magnetosfeer, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10,1038/s41467-024-44977-x

Aangeboden door Nationale Instituten voor Natuurwetenschappen