NASA -observationer omformer grundlæggende plasmabølgefysik

Da NASAs mission Magnetospheric Multiscale - eller MMS - blev lanceret, videnskabsmændene vidste, at det ville besvare spørgsmål, der er grundlæggende for vores universs natur - og MMS har ikke skuffet. Et nyt fund, præsenteret i et papir i Naturkommunikation , giver observationsbevis for en 50-årig teori og omformer den grundlæggende forståelse af en bølgetype i rummet kendt som en kinetisk Alfvén-bølge. Resultaterne, som afslører uventet, små kompleksiteter i bølgen, kan også anvendes på nuklear fusionsteknikker, som er afhængige af at minimere eksistensen af ​​sådanne bølger inde i udstyret for effektivt at fange varme.

Kinetiske Alfvén -bølger har længe været mistænkt for at være energitransportere i plasmaer - en grundlæggende tilstand af materie sammensat af ladede partikler - i hele universet. Men det var ikke før nu, ved hjælp af MMS, at forskere har kunnet se nærmere på bølgernes mikrofysik på de relativt små skalaer, hvor energioverførslen rent faktisk sker.

"Det er første gang, vi har været i stand til at se denne energioverførsel direkte, "sagde Dan Gershman, hovedforfatter og MMS -videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og University of Maryland i College Park. "Vi ser et mere detaljeret billede af Alfvén -bølger, end nogen har kunnet få før."

Bølgerne kunne studeres i lille skala for første gang på grund af det unikke design af MMS -rumfartøjet. MMS's fire rumfartøjer flyver i en kompakt 3-D pyramideformation, med kun fire miles mellem dem - tættere end nogensinde opnået før og lille nok til at passe mellem to bølgetoppe. At have flere rumfartøjer tillod forskerne at måle præcise detaljer om bølgen, såsom hvor hurtigt den bevægede sig, og i hvilken retning den kørte.

Tidligere multi-rumfartøjer missioner fløj ved meget større adskillelser, som ikke tillod dem at se de små skalaer - ligesom at prøve at måle tykkelsen af ​​et stykke papir med en målestok. MMS's stramme flyvende formation, imidlertid, tillod rumfartøjet at undersøge de kortere bølgelængder af kinetiske Alfvén -bølger, i stedet for at belyse de små effekter.

"Det er kun på disse små skalaer, at bølgerne er i stand til at overføre energi, derfor er det så vigtigt at studere dem, "Sagde Gershman.

Når kinetiske Alfvén -bølger bevæger sig gennem et plasma, elektroner, der rejser med den rigtige hastighed, bliver fanget i de svage punkter i bølgens magnetfelt. Fordi feltet er stærkere på hver side af sådanne pletter, elektronerne hopper frem og tilbage, som om de er omgivet af to vægge, i det, der er kendt som et magnetisk spejl i bølgen. Som resultat, elektronerne fordeles ikke jævnt overalt:Nogle områder har en højere elektronmasse, og andre lommer efterlades med færre elektroner. Andre elektroner, som kører for hurtigt eller for langsomt til at køre på bølgen, ende med at sende energi frem og tilbage med bølgen, mens de jockey for at følge med.

Bølgens evne til at fange partikler blev forudsagt for mere end 50 år siden, men var ikke blevet fanget direkte med så omfattende målinger før nu. De nye resultater viste også en meget højere fangstrate end forventet.

Denne metode til at fange partikler har også anvendelser inden for kernefusionsteknologi. Kernreaktorer bruger magnetiske felter til at indeslutte plasma for at udtrække energi. Nuværende metoder er meget ineffektive, da de kræver store mængder energi for at drive magnetfeltet og holde plasmaet varmt. De nye resultater giver muligvis en bedre forståelse af en proces, der transporterer energi gennem et plasma.

"Vi kan producere, med en vis indsats, disse bølger i laboratoriet for at studere, men bølgen er meget mindre end den er i rummet, " sagde Stewart Prager, plasmavidenskabsmand ved Princeton Plasma Physics Laboratory i Princeton, New Jersey. "I rummet, de kan måle finere egenskaber, der er svære at måle i laboratoriet. "

Dette arbejde kan også lære os mere om vores sol. Nogle forskere mener, at kinetiske Alfvén -bølger er nøglen til, hvordan solvinden - den konstante udstrømning af solpartikler, der fejer ud i rummet - opvarmes til ekstreme temperaturer. De nye resultater giver indsigt i, hvordan den proces kan fungere.

I hele universet, kinetiske Alfvén -bølger er allestedsnærværende på tværs af magnetiske miljøer, og forventes endda at være i de ekstra-galaktiske jetfly af kvasarer. Ved at studere vores nær-jord miljø, NASA -missioner som MMS kan gøre brug af en unik, nærliggende laboratorium for at forstå fysikken i magnetfelter i hele universet.