NASA-missionen afslører en dans af elektroner i rummet

Du kan ikke se dem, men sværme af elektroner summer gennem det magnetiske miljø - magnetosfæren - rundt om Jorden. Elektronerne går i spiral og dykker rundt på planeten i en kompleks dans dikteret af de magnetiske og elektriske felter. Når de trænger ind i magnetosfæren tæt nok på Jorden, højenergielektronerne kan beskadige satellitter i kredsløb og udløse nordlys. Forskere med NASA's Magnetospheric Multiscale, eller MMS, mission studere elektronernes dynamik for bedre at forstå deres adfærd. En ny undersøgelse, udgivet i Journal of Geophysical Research afslørede en bizar ny type bevægelse udvist af disse elektroner.

Elektroner i et stærkt magnetfelt udviser normalt en simpel adfærd:De spinder stramme spiraler langs magnetfeltet. I et svagere område, hvor magnetfeltets retning vender om, elektronerne går frit – hopper og logrer frem og tilbage i en type bevægelse kaldet Speiser-bevægelse. Nye MMS-resultater viser for første gang, hvad der sker i et mellemstyrkefelt. Så danser disse elektroner en hybrid, bugtende bevægelse - spiral og hoppende rundt, før de bliver slynget ud af området. Denne bevægelse fjerner noget af feltets energi, og den spiller en nøglerolle i magnetisk genforbindelse, en dynamisk proces, som eksplosivt kan frigive store mængder lagret magnetisk energi.

"MMS viser os den fascinerende virkelighed med magnetisk genforbindelse, der sker derude, " sagde Li-Jen Chen, hovedforfatter af undersøgelsen og MMS-forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Mens MMS fløj rundt om Jorden, det passerede gennem et område med et magnetfelt med moderat styrke, hvor elektriske strømme løber i samme retning som magnetfeltet. Sådanne områder er kendt som mellemliggende ledefelter. Mens man er inde i regionen, instrumenterne registrerede en mærkelig interaktion af elektroner med det aktuelle ark, det tynde lag, som strømmen går igennem. Da de indkommende partikler stødte på regionen, de begyndte at rotere i spiraler langs guidefeltet, som de gør i et stærkt magnetfelt, men i større spiraler. MMS-observationerne så også signaturer af partiklerne, der fik energi fra det elektriske felt. Inden længe, de accelererede partikler undslap det nuværende ark, danner højhastigheds-jetfly. I processen, de tog noget af markens energi væk, får det til at svækkes gradvist.

Det magnetiske feltmiljø, hvor elektronernes bevægelser blev observeret, blev unikt skabt ved magnetisk genforbindelse, hvilket fik den nuværende plade til at være tæt begrænset af ophobede magnetfelter. De nye resultater hjælper forskerne med bedre at forstå elektronernes rolle i genforbindelse, og hvordan magnetiske felter mister energi.

MMS måler de elektriske og magnetiske felter, den flyver igennem, og tæller elektroner og ioner for at måle deres energier og bevægelsesretninger. Med fire rumfartøjer flyvende i en kompakt, pyramidedannelse, MMS er i stand til at se felterne og partiklerne i tre dimensioner og se på småskala partikeldynamik, på en måde, der aldrig før er opnået.

"Tidsopløsningen af ​​MMS er hundrede gange hurtigere end tidligere missioner, " sagde Tom Moore, senior projektforsker for MMS ved NASAs Goddard Space Flight Center. "Det betyder, at vi endelig kan se, hvad der foregår i så snævre lag og vil være i stand til bedre at forudsige, hvor hurtigt genforbindelse sker under forskellige omstændigheder."

At forstå genforbindelsens hastighed er afgørende for at forudsige intensiteten af ​​den eksplosive energifrigivelse. Genforbindelse er en vigtig energifrigivelsesproces på tværs af universet og menes at være ansvarlig for nogle chokbølger og kosmiske stråler. Soludbrud på solen, som kan udløse rumvejr, er også forårsaget af magnetisk genforbindelse.

Med to år på bagen, MMS har afsløret nye og overraskende fænomener nær Jorden. Disse opdagelser gør os i stand til bedre at forstå Jordens dynamiske rummiljø, og hvordan det påvirker vores satellitter og teknologi.

MMS er nu på vej mod en ny bane, som vil tage den gennem magnetiske genforbindelsesområder på den side af Jorden, der er længere væk fra solen. I denne region, guidefeltet er typisk svagere, så MMS kan se flere af disse typer elektrondynamik.