Cluster afslører den indre funktion af jordens kosmiske partikelaccelerator

Ved at bruge hidtil usete in-situ data fra ESA's Cluster-mission, videnskabsmænd har kastet lys over den evigt skiftende natur af Jordens skjold mod kosmisk stråling, dens bue stød, afslører, hvordan denne partikelaccelerator overfører og omfordeler energi i hele rummet.

Den nye undersøgelse brugte observationer fra to af Cluster-missionens fire rumfartøjer, som fløj i stram formation gennem Jordens buestød, sidder kun 7 kilometer fra hinanden.

Dataene blev indsamlet den 24. januar 2015 i en afstand af 90, 000 kilometer fra Jorden, omkring en fjerdedel af vejen til månen, og afsløre egenskaber ved bovstødet, som tidligere var uklare på grund af manglen på sådanne tætte in-situ målinger.

Når en supersonisk strøm støder på en forhindring, dannes et chok. Dette ses ofte i universet omkring stjerner, supernova-rester, kometer, og planeter – inklusive vores egen. Stød er kendt for at være meget effektive partikelacceleratorer, og potentielt ansvarlig for at skabe nogle af de mest energiske partikler i universet.

Chokket rundt om jorden, kendt som bow shock, er vores første forsvarslinje mod partikler, der strømmer ind fra kosmos, og vores nærmeste test-bed for at studere dynamikken i plasmachok. Det eksisterer på grund af den høje, supersoniske hastigheder af solvindpartikler, som skaber et fænomen, der lidt ligner den chokbølge, der dannes, når et fly bryder lydhastighedsbarrieren.

Den nye undersøgelse, offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt , afslører de mekanismer, der er i spil, når dette stød overfører energi fra en type til en anden.

"Jordens buestød er et naturligt og ideelt stødlaboratorium, " siger hovedforfatter Andrew Dimmock fra Swedish Institute of Space Physics i Uppsala, Sverige.

"Takket være missioner som Cluster, vi er i stand til at placere flere rumfartøjer i og omkring det, dækker skalaer fra hundreder til kun få kilometer.

"Dette betyder, at vi kan adskille, hvordan chokket ændrer sig i rummet og over tid, noget, der er afgørende, når man karakteriserer et chok af denne type."

Der er flere typer stød, defineret af de måder, hvorpå de overfører kinetisk energi til andre former for energi. I jordens atmosfære, kinetisk energi omdannes til varme, når partikler kolliderer med hinanden - men de store afstande, der er på spil ved vores planets buechok, betyder, at partikelkollisioner ikke kan spille en sådan rolle i energioverførsel der, da de simpelthen er for langt fra hinanden.

Denne type stød er således kendt som et kollisionsfrit stød. Sådanne stød kan eksistere på tværs af en lang række skalaer, fra millimeter op til størrelsen af ​​en galaksehob, og i stedet overføre energi via processer, der involverer plasmabølger og elektriske og magnetiske felter.

"Ud over at være kollisionsfri, Jordens buestød kan også være ikke-stationært, " tilføjer medforfatter Michael Balikhin fra University of Sheffield, Storbritannien.

"På en måde, den opfører sig som en bølge i havet:som en bølge nærmer sig stranden, det ser ud til at vokse i størrelse, efterhånden som dybden aftager, indtil den går i stykker – det er fordi toppen af ​​bølgen bevæger sig hurtigere end truget, får den til at folde sig sammen og knække.

"Denne form for 'brud' forekommer for bølger af plasma, også, selvom fysikken er noget mere kompliceret."

For i detaljer at undersøge de fysiske skalaer, hvor dette bølgebrud påbegyndes – noget som tidligere var ukendt – anmodede forskerne om en særlig kampagne, hvor to af de fire Cluster-sonder blev flyttet til en hidtil uset tæt adskillelse på mindre end 7 km. indsamling af data i høj opløsning inde fra selve chokket.

Analyserer data, holdet fandt, at målingerne af det magnetiske felt opnået af de to Cluster-rumfartøjer adskilte sig væsentligt. Dette direkte bevis på, at små magnetiske feltstrukturer eksisterer inden for den bredere udstrækning af buechokket indikerer, at de er nøglen til at lette brydningen af ​​plasmabølger, og dermed overførsel af energi, i denne del af magnetosfæren.

Med størrelser på få kilometer, svarende til de skalaer, hvor elektroner roterer rundt om magnetfeltlinjerne, disse strukturer er placeret i en særlig tynd og variabel del af stødet, hvor egenskaberne af den konstituerende plasma og omgivende felter kan ændre sig mest drastisk.

"Denne del af buestødet er kendt som stødrampen, og kan være så tynd som et par kilometer – et fund, der også var baseret på klyngedata for nogle år tilbage, " siger medforfatter Philippe Escoubet, som også er ESA-projektforsker for Cluster-missionen.

Lanceret i 2000, Clusters fire rumfartøjer flyver i formation rundt om Jorden, gør det til den første rummission i stand til at studere, i tre dimensioner, de fysiske processer, der foregår i og i nærheden af ​​Jordens magnetiske miljø.

"Denne form for undersøgelse viser virkelig vigtigheden af ​​Cluster som en mission, " tilføjer Escoubet. "Ved at opnå utroligt små rumfartøjsadskillelser - syv kilometer som brugt i denne undersøgelse og endnu mindre, ned til kun tre kilometer – Cluster giver os mulighed for at undersøge vores planets magnetiske miljø på den mindste skala, der nogensinde er opnået.

"Dette fremmer vores forståelse af Jordens buechok, og hvordan den fungerer som en gigantisk partikelaccelerator - noget, der er nøglen til vores viden om højenergiuniverset."