NASA Probes getuigen van krachtige magnetische stormen bij de aarde, eerst een ruimte

Explosieve stormen voortgebracht door interacties tussen de magnetische velden van de aarde en de zon kunnen satellieten, ruimtevaartuigen en astronauten in de ruimte in gevaar brengen, evenals elektriciteitsnetten op aarde. Nu heeft een vloot NASA-ruimtevaartuigen voor het eerst rechtstreeks de mysterieuze manier gezien waarop deze magnetische explosies plaatsvinden.

Dit werk zou kunnen helpen licht werpen op gevaarlijke zonne-uitbarstingen en helpen bij het verbeteren van het ontwerp van geavanceerde kernreactoren, aldus onderzoekers. De ontdekking gebeurde met de Magnetospheric Multiscale-missie van NASA (of kortweg MMS), waarmee vier ruimtetuigen de magnetosfeer van de aarde binnendrong, de gasbel van het plasma dat wordt bestuurd door het magnetisch veld van de planeet.

"We raken de jackpot", schreef co-auteur Roy Torbert, adjunct-hoofdonderzoeker van MMS, in een verklaring. "We konden het allereerste fysica-experiment in deze omgeving uitvoeren." [NASDA's Magnetospheric Multiscale Mission in Pictures]

Plasma maakt de zon en de sterren, en is de meest voorkomende vorm van gewone materie in het universum, bestaande uit ongeveer gelijke aantallen positief en negatief elektrisch geladen deeltjes. Gewone materie, het soort dat bestaat uit mensen, planeten, de zon en de sterren, maakt slechts ongeveer een zesde deel uit van de materie van het universum, terwijl de rest bestaat uit mysterieuze donkere materie.

Plasma's zijn vaak doordrongen van krachtige bossen met magnetische veldlijnen. Wanneer een magnetisch gebied een ander ontmoet, waarvan de magnetische veldlijnen anders zijn georiënteerd, kunnen hun magnetische veldlijnen met elkaar botsen, breken en opnieuw verbinden, waarbij de magnetisch energie explosief wordt omgezet in warmte en kinetische energie. Deze ontmoetingen kunnen bijvoorbeeld gebeuren wanneer een windvlaag van plasma van de zon botst met de magnetosfeer van de aarde.

"Stel je voor dat twee treinen op afzonderlijke sporen naar elkaar toe rijden, maar de treinen worden op het laatste moment overgeschakeld naar hetzelfde spoor", zei co-auteur James Drake van de University of Maryland in een verklaring. "Elke track representeert een magnetische veldlijn van een van de twee samenwerkende magnetische velden, terwijl de spoorschakelaar een herverbindingsgebeurtenis vertegenwoordigt.De resulterende crash zendt energie uit het herverbindingspunt als een katapult."

Magnetische heraansluitingseffecten op aarde

Magnetische herverbinding kan grote gevolgen hebben op aarde. Het veroorzaakt bijvoorbeeld explosieve zonne-evenementen zoals zonnevlammen en coronale massa-ejecties. Deze kunnen op hun beurt niet alleen spectaculaire aurora's genereren, maar ook geomagnetische stormen. In 1989 heeft een geomagnetische storm de hele Canadese provincie Quebec zwart gemaakt, waardoor miljoenen mensen in de donkere en schadelijke transformatoren zo ver weg zijn als New Jersey. Stormen die tien keer slechter zijn, zijn mogelijk, zoals een solaire superstorm uit 1859 die bekend staat als het Carrington-evenement.

"Omdat opnieuw verbinden het ruimteweer aandrijft, zou een beter begrip ervan kunnen leiden tot betere weersvoorspellingen in de ruimte," zei James Burch, hoofd van de studie, een ruimtefysicus aan het Southwest Research Institute in San Antonio, Texas.

Magnetische herverbinding kan ook experimentele kernfusiereactoren belemmeren die erop gericht zijn de kracht te herstellen die de zon en de sterren hier op aarde aandrijft. Deze reactoren proberen vaak magnetische velden te gebruiken om plasma's te beperken en te verwarmen tot het punt waarop kernfusie wordt geactiveerd. "Als dit kan worden gedaan, zou het de energiecrisis permanent oplossen", vertelde Burch aan ProfoundSpace.org.

"Een van de belangrijkste dingen die het fuseren van magnetische opsluiting tegen werken is, is opnieuw verbinden, wat 'zaagtand crasht' veroorzaakt - dit zijn periodieke reducties in elektronentemperatuur, die de temperatuur onder het fusietriggerpunt houden," legde Burch uit. "Een beter begrip van herverbinding kan leiden tot methoden om het te doven in deze apparaten." [Kijk maar: NASA Video legt magnetische heraansluiting uit]

Wetenschappers willen precies vastleggen wat magnetische herverbinding tot stand brengt, maar tot nu toe hebben onderzoekers opnieuw verbinding alleen in het laboratorium gezien. MMS is de eerste ruimtemissie die is gericht op het begrijpen van hoe dit fenomeen werkt, niet alleen op aarde, maar ook op de zon, andere sterren en in de ruimte.

"We hebben het theoretisch bestudeerd en we hebben het met supercomputers gesimuleerd, maar tot nu toe hebben we niet geweten wat de omzetting van magnetische energie in deeltjesenergie regelt," zei Burch in een verklaring. "We hebben de MMS-missie ontworpen om de magnetosfeer van de aarde te gebruiken als een gigantisch laboratorium om het definitieve experiment bij het opnieuw verbinden uit te voeren."

NASA's MMS-satellietkwartet

MMS bestaat uit vier identieke op zonne-energie aangedreven ruimtevaartuigen, elk uitgerust met een identieke set van 11 instrumenten gemaakt van 25 sensoren, de snel reagerende sensoren die de NASA ooit heeft gevlogen. De achthoekige 3.000-pond. (1360 kilogram) sondes vliegen in een bijna-equatoriale baan, variërend van ongeveer 6 tot 250 mijl (10 tot 400 kilometer) van elkaar.

Magnetische heraansluiting is een extreem snelle gebeurtenis waarbij protonen en elektronen worden afgeschoten. Eerder onderzoek had de bewegingen van protonen tijdens magnetische heraansluiting geanalyseerd, maar nu heeft MMS voor het eerst directe metingen van de bewegingen van de elektronen tijdens magnetische heraansluiting vastgelegd.

"Er zijn al tientallen jaren theorieën over de beweging van elektronen bij magnetische heraansluiting, maar dit is het eerste echte bewijs van wat ze doen," studeerde medeauteur Jonathan Eastwood, aan het Imperial College London, in een verklaring. "We weten wat er moet zijn, maar weten en meten zijn twee heel verschillende dingen."

Het ruimtevaartuig onderzocht niet alleen elektronenbewegingen op een minieme schaal, maar volgde ook veel sneller elektronen dan voorgaande satellieten, waarbij de deeltjes één keer per 30 milliseconden werden afgevuurd.

"Satellietmetingen van elektronen zijn met een factor 100 te langzaam geweest om het magnetische herverbindingsgebied te bemonsteren," studeerde co-auteur Tom Moore, bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zei in een verklaring. "De precisie en snelheid van MMS opende echter een nieuw venster op het universum."

"Het detailniveau geeft ons de mogelijkheid dingen te zien die eerder vervaagd waren", zei Drake in een verklaring.

Een magnetisch "rokend wapen"

Op 16 oktober 2015 vloog MMS rechtstreeks door het hart van een gebied voor opnieuw verbinden in de magnetosfeer van de aarde.

Om opnieuw te kunnen verbinden, moet plasma gedemagnetiseerd raken. De laatste kritieke fase in dit geval vindt plaats in een relatief klein stukje ruimte dat bekend staat als het elektronendissipatiegebied. "Het ruimtevaartuig passeerde direct door het elektronendissipatiegebied," zei Torbert in een verklaring.

De gegevens toonden een daling van het magnetisch veld tot bijna nul, ionen die in tegengestelde richtingen vloeide, versnelde elektronen, een sterke elektrische stroom en een verbeterd elektrisch veld - alle tekenen dat het ruimtevaartuig een elektronendissipatieregio was binnengekomen, aldus de onderzoekers.

De belangrijkste signatuur van herverbinding was echter een piek die werd gedetecteerd in de elektrische stroom die wordt gegenereerd door de elektronen, aldus de onderzoekers.

"Dit was het 'rokende wapen' voor heraansluiting, 'zei Burch in een verklaring. "Het was theoretisch voorspeld, maar nooit eerder gezien dan MMS."

Het ruimtevaartuig zag ook elektronen in het elektronendissipatiegebied snel naar buiten versnellen langs de magnetische veldlijnen die werden geopend tijdens het opnieuw verbinden. De onderzoekers zeiden dat dit te wijten was aan de onderlinge verbinding van de magnetische velden van de zon en de aarde, de eerste keer dat wetenschappers een dergelijke gebeurtenis definitief hebben gemeten.

"Deze gegevens hebben echt een nieuw venster geopend aan de kant van het universum waar opnieuw verbinding wordt gemaakt", zei Burch. "Waar we eerder 'telescopen' hadden om de resultaten van herverbinding te bekijken, hebben we nu een 'microscoop' die ons voor de eerste keer in staat stelt opnieuw verbinden in actie te zien. '

Het blijft een raadsel hoe elektrische velden worden gegenereerd tijdens magnetische heraansluiting. "Er zijn verschillende theorieën, en voor de keuze daarvan zijn metingen nodig met alle vier ruimtevaartuigen binnen het gebied van opnieuw verbinden", zei Burch. "Tot nu toe hebben we er drie tegelijk in gehad, met de vierde er iets later in." We zijn van plan om de afstand tussen ruimtevaartuigen te verminderen van 10 km naar 5 km dichterbij om dit probleem aan te pakken. "

De MMS-missie bevindt zich momenteel in de eerste fase, waarbij ruimtevaartuigen door verbindingsplaatsen aan de dag van de aarde vliegen, waar materie van de zon in verbinding staat met het magnetisch veld van de aarde.

Tijdens de tweede fase, zal MMS door herverbindingsplaatsen op de nachtzijde van de aarde trekken, waar dat zonnemateriaal naar de druppelvormige staart van het magnetisch veld van de aarde kan stromen. Magnetische herverbindingsgebeurtenissen aan de nachtzijde van de aarde zullen naar verwachting explosiever zijn, zei Eastwood.

"In de staart moeten we geen enkel probleem hebben om alle vier de ruimtevaartuigen in de regio met opnieuw verbinden tegelijk te krijgen," zei Burch.

De wetenschappers hebben hun bevindingen online gepubliceerd op 12 mei in het tijdschrift Science.