Svensk doktorand upptäckte rymdvirvlar

I det senaste numret av Nature finns en artikel med titeln In Situ multi-satellite detection of coherent vortices as a manifestation of Alfvénic turbulence, där David Sundkvist, doktorand vid Institutet för Rymdfysik i Uppsala är huvudförfattare. Översatt till mer normalt språk betyder artikelrubriken att David använt ett flersatellitsystem för att upptäcka virvlar i den turbulenta plasma som finns i Jordens närhet. Forskarna har spekulerat i att sådana virvlar ska förekomma, men ingen har tidigare kunnat bevisa att de finns.

Elektrisk gas

Plasma är enkelt uttryckt en elektriskt laddad gas. Atomerna i plasman har blivit av med en eller flera av sina elektroner. Därför beter sig plasma helt annorlunda än en gas, i synnerhet i magnetfält. Det är plasmas växelverkan med magnetfält som orsakar både solfläckarna och de enorma materieutkasten från Solen som kallas protuberanser, och det är också det jordmagnetiska fältets växelverkan med solvindens plasma som ger upphov till norr- och sydsken.

Lite mer markbundet så är kontrollen av plasma i starka magnetfält central för att få fusionen att fungera som praktiskt användbar energikälla.

Davids upptäckter kan få återverkningar på alla dessa områden.

Bulgarisk satellit först

Att plasmat i rymden är turbulent har man vetat länge. Det betyder i princip att plasmat rör sig oordnat, oförutsägbart, som vattnet i en bäck.

Att det finns ordnade virvlar i plasmat har forskarna misstänkt sedan 80-talet. Dels på grund av mätningar gjorda av en bulgarisk satellit, dels på grund av teoretiska beräkningar.
– Så det tog nästan 20 år från den första observationen till vi kunde verifiera virvlarna, säger David. Det beror bland annat på att det är svårt att göra den här typen av mätningar, både i rymden och i vanlig laboratoriemiljö.

Därför har ESA:s fyra Cluster-satelliter varit en oundgänglig förutsättning för Davids forskningsresultat. De är det enda instrument som kan göra den här typen av observationer. Först om tio år kommer NASA att ha ett liknande system med flera satelliter.
– Med bara en enda satellit som observerar så kan man inte veta om det man ser verkligen är en virvel, säger David.

Man kan jämföra med att mäta i en vattenvirvel och bara kunna mäta på en punkt. Man kan konstatera att vattnet flyter åt ett visst håll i den punkten, men om det är exempelvis en ström eller en virvel går inte att veta. Om man kan mäta på flera olika punkter däremot så kan man få en mycket klarare bild av hur vattnet faktiskt flyter. Man kan se virvelns form, åtminstone i grova drag. På samma sätt är det med rymdvirvlarna.

Bryter igenom magnetosfären

Normalt sett kan inte plasman tränga igenom magnetiska gränsskikt som den jordiska magnetosfären. Men plasmavirvlarna tar sig igenom, eftersom de alltid förflyttar sig vinkelrätt mot magnetfältet, precis som alla typer av virvlar alltid måste röra sig vinkelrätt mot sin centrumaxel.
– Jämför till exempel med hur en tromb alltid rör sig vinkelrätt mot sin centrumaxel. För rymdvirvlarna är jordens magnetfält centrumaxeln.

Att virvlarna ger plasma möjlighet att tränga igenom magnetosfären påverkar vår rymdnärmiljö. Vilka konsekvenser det har är oklart, men i långa loppet kan man tänka sig att det kan ha betydelse för vårt "rymdväder" och allt vad det innebär. Men konsekvenserna kräver mera studier säger David.
– Nästa steg blir att ta reda på hur de här virvlarna bildas. Hur stabila är de? Nu har vi bara kunnat ta en ögonblicksbild av en virvel, tillräckligt för att konstatera att den finns, men inte så mycket mer. Hur mycket massa och energi transporterar en virvel?

Ett steg närmare fusionen

Davids forskning kan också ha betydelse för fusionsforskningen. Där har man i det inneslutna plasmat sett att energi transporterats vinkelrätt mot magnetfältet, vilket hittills varit oförklarligt.
– Den här transporten beror till största delen på virvlar, säger David.

Även om han inte vill överdriva betydelsen av sin upptäckt för fusionsforskningen så säger han att just den här oförklarade energitransporten varit ett av de stora problemen som återstått att lösa.
– Förstår man plasmavirvlarna bättre har man säkert kommit en bra bit på vägen att lösa just detta problem. Så visst kommer det att underlätta även för fusionsforskarna.

Tyska vetenskapsradion

Hur är det att bli publicerad i Nature då?
– Det är ju rätt spännande, säger han och småskrattar. Och det är ju rätt ovanligt, särskilt som doktorand. Det är faktiskt ingen här som hört talas om att en doktorand blivit publicerad i Nature förut.

Bland annat den tyska vetenskapsradion har hört av sig och vill göra en intervju.

Doktorand är han dock inte så länge till. Han disputerar i november, vid Uppsala universitet, där han också via den matematisk-naturvetenskapliga linjen fått sin grundutbildning Efter disputationen i november kommer han med största sannolikhet att åka på post doc.
– Förmodligen hamnar jag i USA, säger han. Men han har också fått erbjudanden från den franska institution där han redan varit ett år som gästforskare.
– Får jag som jag vill så kommer jag att fortsätta utveckla och använda nya tekniker för att undersöka icke-linjära strukturer i rymden. På så sätt hoppas jag kunna fördjupa mig i plasmafysiken med rymden som laboratorium.