Laboratorieundersøgelse skaber kunstig magnetosfære for at udforske spontan excitation af koremissioner

Mens rumfartøjer er kraftfulde værktøjer til at studere det faktiske rummiljø, er den planetariske magnetosfære et enormt og komplekst system, som er svært at forstå i sin helhed. Det er heller ikke let for mennesker at manipulere rummiljøet.

Tværtimod giver laboratorieindstillinger os mulighed for at skabe et forenklet forskningsobjekt, der udvindes fra naturens komplekse egenskaber i et kontrolleret miljø. Derfor forventes eksperimentelle undersøgelser at spille en komplementær rolle i observation og teori om forståelse af koremissioner. Det er dog ikke ligetil at skabe et magnetosfærisk miljø i laboratoriet. Laboratorieforsøg på koremissioner i et magnetosfærisk dipolmagnetfelt er aldrig blevet udført hidtil.

Et forskerhold fra National Institute for Fusion Science i Toki, Japan, og Graduate School of Frontier Sciences ved University of Tokyo i Kashiwa, Japan, har med succes udført laboratorieundersøgelser af whistler-mode chorus-emission ved hjælp af RT-1-enheden. Denne "kunstige magnetosfære" har en magnetisk leviteret superledende spole for at skabe et dipolmagnetfelt af planetarisk magnetosfære-type i laboratoriet.

Ved hjælp af højtemperatur superledende teknologi bliver en 110 kg spole magnetisk svævet i en vakuumbeholder, og det genererede magnetfelt begrænser plasmaet. Denne unikke opsætning tillader drift uden nogen mekaniske støttestrukturer til spolen, hvilket gør det muligt at generere plasma i et miljø, der ligner det for en planetarisk magnetosfære, selv inden for et jordbaseret anlæg.

I denne undersøgelse fyldte forskerholdet vakuumbeholderen på RT-1 med brintgas og injicerede mikrobølger for at skabe højtydende brintplasma, primært ved at opvarme elektroner.

I eksperimenterne blev der genereret plasma i forskellige tilstande, og der blev foretaget undersøgelser af generering af bølger. Som følge heraf blev der observeret en spontan produktion af whistler-bølge-kor-emissionen, når plasmaet indeholdt et betydeligt forhold mellem højtemperaturelektroner.

Der blev også taget målinger af styrken og frekvensen af ​​chorus-emissionen fra plasmaet med fokus på dets tæthed og højtemperaturelektronernes tilstand.

Resultaterne, offentliggjort i Nature Communications , afslørede, at genereringen af ​​en koremission er drevet af en stigning i højtemperaturelektroner, der er ansvarlige for plasmatrykket. Derudover havde en forøgelse af den samlede plasmatæthed den virkning, at det undertrykkede genereringen af ​​chorus-emissionen.

Gennem denne undersøgelse blev det klarlagt, at koremissionen er et universelt fænomen, der forekommer i plasma med højtemperaturelektroner i et simpelt dipolmagnetisk felt. Egenskaber afsløret i eksperimentet, herunder udseendeforhold og bølgeudbredelse, kan forbedre vores forståelse af koremissionen og relaterede fænomener observeret i georummet.

Elektromagnetiske bølger af en koremission har potentialet til yderligere at accelerere varme elektroner til højere energitilstande, hvilket fører til dannelsen af ​​nordlys og satellitfejl. Disse elektromagnetiske bølger spiller sammen med energiske partikler en afgørende rolle i rumvejrfænomener.

I georummet, når eksplosive hændelser (flare) opstår på soloverfladen, giver de anledning til magnetiske storme, hvilket forårsager store udsving i det elektromagnetiske felt og genererer store mængder af energiske partikler. Dette forårsager ikke kun satellitfejl og påvirker ozonlaget, men er også kendt for at forstyrre strøm- og kommunikationsnetværk på jorden.

Med udvidelsen af ​​menneskelig aktivitet i dag er forståelsen af ​​rumvejrsfænomener blevet stadig vigtigere. Men talrige mekanismer og fænomener på dette område forbliver uløste. Resultatet af denne undersøgelse forventes at bidrage til en bedre forståelse af mekanismerne bag de forskellige rumvejrfænomener.

Inden for fusionsplasma, som har til formål i sidste ende at løse energiproblemer, er tab af partikler og strukturdannelse på grund af interaktion med bølger et af de centrale forskningsspørgsmål. En præcis forståelse af de komplekse interaktioner mellem spontant exciterede bølger og plasma er afgørende for at opnå fusion.

Bølgefænomener med frekvensvariationer er blevet observeret i vid udstrækning i højtemperaturplasmaer til fusion, hvilket indikerer eksistensen af ​​en fælles fysisk mekanisme med koremissionen.

Resultaterne fra denne undersøgelse repræsenterer et skridt fremad i at forstå de almindelige fysiske fænomener, der findes i både fusions- og rumplasmaer. Det forventes, at fremtidig forskning vil gå videre med øget samarbejde mellem disse to felter.>

Whistlerbølger er en af ​​de fundamentale bølger, der forplanter sig i plasma. I koremissioner observeret omkring geospace og Jupiter forekommer fluktuationshændelser med frekvensvariationer, der ligner fuglesang, gentagne gange. De menes at være tæt beslægtet med nordlys og rumvejrsfænomener, såsom produktion og transport af højenergielektroner.

Flere oplysninger: Haruhiko Saitoh et al., Eksperimentel undersøgelse af koremission i en kunstig magnetosfære, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44977-x

Leveret af National Institutes of Natural Sciences