Rumfartøjsmålinger afslører mekanismen for solvindopvarmning

Queen Mary University of London har ledet en undersøgelse, som beskriver den første direkte måling af, hvordan energi overføres fra de kaotiske elektromagnetiske felter i rummet til de partikler, der udgør solvinden, fører til opvarmning af interplanetarisk rum.

Studiet, udgivet i Naturkommunikation og udført med University of Arizona og University of Iowa, viser, at en proces kendt som Landau-dæmpning er ansvarlig for at overføre energi fra den elektromagnetiske plasmaturbulens i rummet til elektroner i solvinden, forårsager deres energitilførsel.

denne proces, opkaldt efter den nobelprisvindende fysiker Lev Landau (1908-1968), opstår, når en bølge bevæger sig gennem et plasma, og de plasmapartikler, der bevæger sig med en lignende hastighed, absorberer denne energi, fører til en reduktion af energi (dæmpning) af bølgen.

Selvom denne proces tidligere var blevet målt i nogle simple situationer, det var ikke kendt, om det stadig ville fungere i de meget turbulente og komplekse plasmaer, der forekommer naturligt i rummet, eller om der ville være en helt anden proces.

Overalt i universet, stof er i en strømførende plasmatilstand ved langt højere temperaturer end forventet. For eksempel, solkoronaen er hundredvis af gange varmere end Solens overflade, et mysterium, som videnskabsmænd stadig forsøger at forstå.

Det er også vigtigt at forstå opvarmningen af ​​mange andre astrofysiske plasmaer, såsom det interstellare medium og plasmaskiverne, der omgiver sorte huller, for at forklare noget af den ekstreme adfærd, der udvises i disse miljøer.

At være i stand til at foretage direkte målinger af plasmaenergiseringsmekanismerne i aktion i solvinden (som vist i dette papir for første gang) vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå adskillige åbne spørgsmål, som disse, om universet.

Forskerne opdagede dette ved hjælp af nye højopløsningsmålinger fra NASAs Magnetospheric Multi-Scale (MMS) rumfartøj (for nylig opsendt i 2015), sammen med en nyudviklet dataanalyseteknik (felt-partikel-korrelationsteknikken).

Solvinden er strømmen af ​​ladede partikler (dvs. plasma), der kommer fra Solen og fylder hele vores solsystem, og MMS-rumfartøjet er placeret i solvinden og måler felterne og partiklerne i det, når det strømmer forbi.

Hovedforfatter Dr. Christopher Chen, fra Queen Mary University of London, sagde:"Plasma er langt den mest udbredte form for synligt stof i universet, og er ofte i en meget dynamisk og tilsyneladende kaotisk tilstand kendt som turbulens. Denne turbulens overfører energi til partiklerne i plasmaet, hvilket fører til opvarmning og energitilførsel, gør turbulens og den tilhørende opvarmning meget udbredte fænomener i naturen.

"I dette studie, vi lavede den første direkte måling af processerne involveret i turbulent opvarmning i et naturligt forekommende astrofysisk plasma. Vi bekræftede også den nye analyseteknik som et værktøj, der kan bruges til at sondere plasmaenergisering, og som kan bruges i en række opfølgende undersøgelser af forskellige aspekter af plasmaadfærd."

Professor Greg Howes ved University of Iowa, som var med til at udvikle denne nye analyseteknik, sagde:"I processen med Landau-dæmpning, det elektriske felt, der er forbundet med bølger, der bevæger sig gennem plasmaet, kan accelerere elektroner, der bevæger sig med den helt rigtige hastighed sammen med bølgen, analogt med en surfer, der fanger en bølge. Denne første vellykkede observationelle anvendelse af felt-partikel-korrelationsteknikken demonstrerer dens løfte om at svare på langvarig, grundlæggende spørgsmål om opførsel og udvikling af rumplasmaer, såsom opvarmning af solkoronaen."

Dette papir baner også vejen for teknikken, der skal bruges på fremtidige missioner til andre områder af solsystemet, såsom NASA Parker Solar Probe (lanceret i 2018), som begynder at udforske solkorona- og plasmamiljøet nær Solen for første gang.