Toen NASA's Magnetospheric Multiscale-of MMS-missie werd gelanceerd, de wetenschappers wisten dat het vragen zou beantwoorden die fundamenteel zijn voor de aard van ons universum - en MMS heeft niet teleurgesteld. Een nieuwe vondst, gepresenteerd in een paper in Natuurcommunicatie , levert observationeel bewijs van een 50 jaar oude theorie en hervormt het basisbegrip van een type golf in de ruimte dat bekend staat als een kinetische Alfvén-golf. De resultaten, die onverwacht onthullen, kleinschalige complexiteiten in de golf, zijn ook van toepassing op kernfusietechnieken, die afhankelijk zijn van het minimaliseren van het bestaan ​​van dergelijke golven in de apparatuur om warmte efficiënt vast te houden.

Van kinetische Alfvén-golven wordt al lang vermoed dat ze energietransporteurs zijn in plasma's - een fundamentele toestand van materie die bestaat uit geladen deeltjes - door het hele universum. Maar het was niet tot nu toe, met behulp van MMS, dat wetenschappers de microfysica van de golven van dichterbij hebben kunnen bekijken op de relatief kleine schaal waar de energieoverdracht daadwerkelijk plaatsvindt.

"Dit is de eerste keer dat we deze energieoverdracht direct kunnen zien, " zei Dan Gershman, hoofdauteur en MMS-wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en de Universiteit van Maryland in College Park. "We zien een gedetailleerder beeld van de golven van Alfvén dan ooit tevoren."

De golven konden voor het eerst op kleine schaal worden bestudeerd vanwege het unieke ontwerp van het MMS-ruimtevaartuig. De vier ruimtevaartuigen van MMS vliegen in een compacte 3D-piramideformatie, met slechts vier mijl ertussen - dichterbij dan ooit tevoren en klein genoeg om tussen twee golftoppen te passen. Met meerdere ruimtevaartuigen konden de wetenschappers nauwkeurige details over de golf meten, zoals hoe snel het bewoog en in welke richting het reisde.

Eerdere missies met meerdere ruimtevaartuigen vlogen op veel grotere afstanden, waardoor ze de kleine schubben niet konden zien - net als proberen de dikte van een stuk papier te meten met een maatstaf. de strak vliegende formatie van MMS, echter, stelde het ruimtevaartuig in staat om de kortere golflengten van kinetische Alfvén-golven te onderzoeken, in plaats van de kleinschalige effecten te verdoezelen.

"Alleen op deze kleine schaal kunnen de golven energie overbrengen, daarom is het zo belangrijk om ze te bestuderen, ' zei Gershman.

Terwijl kinetische Alfvén-golven door een plasma bewegen, elektronen die met de juiste snelheid reizen, komen vast te zitten in de zwakke plekken van het magnetische veld van de golf. Omdat het veld aan weerszijden van zulke plekken sterker is, de elektronen kaatsen heen en weer alsof ze begrensd zijn door twee muren, in wat bekend staat als een magnetische spiegel in de golf. Als resultaat, de elektronen zijn niet gelijkmatig verdeeld:sommige gebieden hebben een hogere elektronendichtheid, en andere zakken blijven achter met minder elektronen. andere elektronen, die te snel of te langzaam reizen om op de golf te varen, uiteindelijk geven ze energie heen en weer met de golf terwijl ze jockeyen om bij te blijven.

Het vermogen van de golf om deeltjes op te vangen werd meer dan 50 jaar geleden voorspeld, maar was tot nu toe niet direct vastgelegd met zulke uitgebreide metingen. De nieuwe resultaten toonden ook een veel hogere vangstsnelheid dan verwacht.

Deze methode om deeltjes te vangen heeft ook toepassingen in de kernfusietechnologie. Kernreactoren gebruiken magnetische velden om plasma op te sluiten om energie te extraheren. De huidige methoden zijn zeer inefficiënt omdat ze grote hoeveelheden energie nodig hebben om het magnetische veld van stroom te voorzien en het plasma warm te houden. De nieuwe resultaten kunnen een beter begrip bieden van één proces dat energie door een plasma transporteert.

"Wij kunnen produceren, met enige moeite, deze golven in het laboratorium te bestuderen, maar de golf is veel kleiner dan in de ruimte, " zei Stewart Prager, plasmawetenschapper bij het Princeton Plasma Physics Laboratory in Princeton, New Jersey. "In de ruimte, ze kunnen fijnere eigenschappen meten die in het laboratorium moeilijk te meten zijn."

Dit werk kan ons ook meer leren over onze zon. Sommige wetenschappers denken dat kinetische Alfvén-golven de sleutel zijn tot hoe de zonnewind - de constante uitstorting van zonnedeeltjes die de ruimte in waait - wordt verwarmd tot extreme temperaturen. De nieuwe resultaten geven inzicht in hoe dat proces zou kunnen werken.

Door het hele universum, kinetische Alfvén-golven zijn alomtegenwoordig in magnetische omgevingen, en er wordt zelfs verwacht dat ze zich in de extragalactische jets van quasars bevinden. Door onze nabije aardse omgeving te bestuderen, NASA-missies zoals MMS kunnen gebruik maken van een unieke, nabijgelegen laboratorium om de fysica van magnetische velden in het heelal te begrijpen.