Cluster upptäcker magnetiska explosioner i turbulent rymdplasma

Magnetisk återkoppling och turbulens i plasma

Merparten av den synliga materien i universum är en gas bestående av laddade partiklar kallad plasma. Vid kontakt mellan två motsatta magnetiska fält i plasma accelereras laddade partiklarna som vid en explosion i en process kallas magnetisk återkoppling (’magnetic reconnection’ på engelska).

Magnetisk återkoppling är en av de viktigaste och mest universella mekanismerna för frigörelse av energi både i laboratorieplasma och i rymdplasma. Återkoppling sker i solen [Animation 2] och i jordens mägnetosfär och spelar en viktig roll även för astrofysikaliska fenomen som t ex planet- och stjärnbildning.

Plasma turbulens, som kan beskrivas som ett kaotiskt beteende hos partikelflöden och magnetiska fält, förekommer i hela universum. Ett fundamentalt men delvis olöst problem är hur den elektromagnetiska energin frigörs i turbulent plasma och hur laddade partiklarna accelereras och blir upphettade. I ett turbulent plasma kan områden med stark ström bildas när oregelbunda magnetiska fält kommer i kontakt. I sådana områden förutspår teoretiska modeller att magnetisk återkoppling kan ske.

Jordnära rymdplasma

Jordens magnetfält är vår första försvarslinje mot det konstanta flöde av partiklar som kommer från solen: solvinden. Tack vare jordens magnetiska fält så motas större delen av solvinden bort av jordens magnetosfär, avgränsat av ett område som kallas magnetopausen.

Liksom vid andra magnetiserade planeter som Jupiter och Saturnus, bromsas solvinden upp från överljuds- till underljudsfart av en chockvåg (kallad bågchocken) som finns framför magnetopausen. Området mellan bågchocken och magnetopausen kallas magnetosheath [Bild 2]. Regionen är en av de mest turbulenta miljöerna i den jordnära rymden och den kan användas som ett laboratorium för att studera turbulens. Andra miljöer som t ex solatmosfären uppvisar sannolikt ett liknande beteende, men jordens magnetosheath är en av de få tillgängliga platserna för att genomföra in situ mätningar. Det är synnerligen viktig att karaktärisera egenskaperna hos magnetisks turbulensen i magnetosheath för att kunna förstå dess roll i fundamentala processer såsom energidissipation och partikelacceleration.

Magnetisk återkoppling i turbulent plasma

Magnetisk återkoppling har tidigare observerats vid storskaliga gränsområden, som jordens magnetopaus och i solvinden, men inga observationer av magnetisk återkoppling har ännu rapporterats från småskaliga gränsområden (vilka bildas i turbulent plasma). I rymden kräver detta simultana mätningar från minst fyra rymdfarkoster som flyger i tät formation. Modeller och numeriska simuleringar har dock förutspått denna möjlighet.

I veckans nummer av tidskriften Nature Physics, presenteras för första gången en direkt observation av magnetisk återkoppling i turbulent plasma. Studien är baserad på data insamlat av Cluster, fyra formationsflygande satelliter som tillhör European Space Agency (ESA). Den 27 mars 2002 korsade Clustersatelliterna magnetosheath med ett avstånd av endast 100 km. Magnetisk återkoppling hittades inom ett mycket tunt strömskikt, inbäddat i ett turbulent plasma med en typisk storlek av ungefär 100 km [Bild 2], en verklig utmaning för instrumenten ombord Cluster. Observationerna visar att det turbulenta plasmat accelereras och upphettas vid den magnetiska återkopplingen. Vidare tycks den här typen av småskalig återkoppling vara associerad med acceleration av högenergetisk partiklar, något som till viss del kan förklara skapadet av högenergetiska partiklar från solen.

- Vi har visat att magnetisk återkoppling sker vid ett strömskikt. Man skulle kunna tro att magnetisk återkoppling i en miljö av oregelbundna magnetiska fält skulle inträffa mycket sporadiskt, men så är inte fallet. Vid den här specifika korsningen av magnetosheath hittades ett mycket stort antal tunna strömfält där återkoppling har stor sannolikhet att inträffa, något som vår grupp undersöker just nu, säger Alessandro Retinò, huvudförfattare till artikeln och doktorand på Institutet för Rymdfysik i Uppsala.

Upptäckten av magnetisk återkoppling i turbulent plasma kan vara viktig för studier i laboratorie- och astrofysikaliskt plasma där både turbulens och magnetisk återkoppling utvecklas naturligt och därför borde turbulent återkoppling vara väldigt sannolikt.

- Vår upptäckt kan ha stor betydelse för studier av frigörelse av energi i turbulent rymdplasma, men kan tillämpas på vilket turbulent plasma som helst. Möjliga tillämpningar finns inom fusionsforskningen och högenergiastrofysik, säger Alessandro.

Magnetisk återkoppling, turbulens och chocker är tre fundamentala ingredienter i vårt plasmafyllda universum. Den detaljerade förståelsen av dessa nyckelprocesser är en utmaning för framtidens rymdfysiker.

- En av lärdomarna vi dragit från Clusterprojektet är behovet av att nya rymdfarkoster är utrustade med instrument med högre känslighet och bättre tidsupplösning samt ett större antal satelliter, säger Alessandro.

For more information

Alessandro Retinò, Swedish Institute of Space Physics and Department of Astronomy and Space Physics
Email: alessandro.retino @ irfu.se

Philippe Escoubet, ESA Cluster and Double Star Project Scientist
Email: philippe.escoubet @ esa.int