Νέοι δορυφόροι φτάνουν στο βάθος του διαστημικού καιρού
Ακριβώς έτσι, ένας στολίσκος διαστημικού σκάφους της NASA έχει καταρρίψει ένα από τα βαθύτερα μυστήρια της διαστημικής φυσικής:τι προκαλεί τη «μαγνητική επανασύνδεση», τη διαδικασία που επιτρέπει τη διαρροή ενέργειας από το μαγνητικό πεδίο του ήλιου στη Γη, προκαλώντας δυνητικά επιζήμιες διαστημικές καιρικές συνθήκες. Μετά από λίγους μόνο μήνες σε τροχιά, τα τέσσερα διαστημόπλοια της αποστολής Magnetospheric Multiscale (MMS) πέταξαν μέσα από μια περιοχή του διαστήματος όπου πραγματοποιείται επανασύνδεση και μέτρησε —για πρώτη φορά— την κίνηση των ηλεκτρονίων που πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνα για το φαινόμενο.
Τα γρήγορα αποτελέσματα ήταν «εντελώς απροσδόκητα», λέει ο James Burch, κύριος ερευνητής MMS και διαστημικός επιστήμονας στο Southwest Research Institute στο Σαν Αντόνιο του Τέξας. «Σκεφτήκαμε ότι θα ήταν δύσκολο να κάνουμε τις μετρήσεις, ότι τα πράγματα θα ήταν ταραχώδη και ακατάστατα», λέει. «Αλλά ήταν πολύ ξεκάθαρο τι συνέβαινε». Ο Masaaki Yamada του Εργαστηρίου Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϊ, ο οποίος ηγείται μιας εργαστηριακής προσπάθειας για την κατανόηση της επανασύνδεσης, λέει "Είμαστε τόσο χαρούμενοι και επίσης τόσο έκπληκτοι που το βρήκαν τόσο εύκολα."
Πολλά αστρονομικά σώματα όπως οι πλανήτες, τα αστέρια και —κατ' αρχήν— οι μαύρες τρύπες έχουν μαγνητικά πεδία. Αυτά τα πεδία έχουν συνήθως το ίδιο σχήμα μήλου με αυτό ενός μαγνήτη ράβδου:Οι φανταστικές «γραμμές» που εντοπίζουν το πεδίο αναδύονται από τον νότιο πόλο του μαγνήτη, γυρνώντας προς τα βόρεια μέσα στο διάστημα και βυθίζονται ξανά στον βόρειο πόλο του μαγνήτη. (Στη Γη αυτοί οι βόρειοι και νότιοι μαγνητικοί πόλοι είναι σχεδόν ευθυγραμμισμένοι με τους βόρειους και νότιους γεωγραφικούς πόλους.) Φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και ιόντα κινούνται σπειροειδώς κατά μήκος των γραμμών πεδίου. Τα πεδία παράγουν περιστασιακά εκρηκτικά ξεσπάσματα, όπως ηλιακές εκλάμψεις του ήλιου και κολοσσιαίες εκλάμψεις από εξαιρετικά μαγνητικά πάλσαρ γνωστά ως μαγνητάρια, τα οποία είναι πολύ πιο ισχυρά από τα σουπερνόβα.
Η πηγή αυτών των εκρήξεων πιστεύεται ότι είναι η μαγνητική επανασύνδεση. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν συναντώνται αντίθετα μαγνητικά πεδία από διαφορετικές πηγές, όπως στη μαγνητόπαυση, το όριο στο διάστημα στο οποίο το πεδίο του ήλιου ωθείται ενάντια στο πεδίο της Γης. Συνήθως, αυτό το όριο λειτουργεί ως ασπίδα για τη Γη, εκτρέποντας το ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο, τον ηλιακό άνεμο. Αλλά η επανασύνδεση ανοίγει ρήγματα στη μαγνητική άμυνα της Γης, επιτρέποντας στα ηλιακά σωματίδια να εκτοξεύουν τον πλανήτη.
Όπου συναντώνται τα αντίθετα μαγνητικά πεδία, οι γραμμές πεδίου είναι σαν παρακείμενες γραμμές τρένου με σωματίδια που κινούνται κατά μήκος τους σε αντίθετες κατευθύνσεις. Περιστασιακά, ωστόσο, οι γραμμές του χωραφιού σπάνε και οι χαλαρές άκρες επανασυνδέονται με τις αντίθετα κατευθυνόμενες για να δημιουργήσουν δύο νέες γραμμές πεδίου με κάμψεις φουρκέτας. Αυτό παράγει "γραμμές μαγνητικού πεδίου με το ένα πόδι στον ήλιο και ένα στη Γη", λέει ο Burch. «Αφήνει όλη αυτή την ηλιακή ενέργεια να ρέει απευθείας». Η διαδικασία ενεργοποιεί επίσης τα σωματίδια που ήδη κινούνται σπειροειδώς στο πεδίο, λέει ο Yamada. Επομένως, η επανασύνδεση στη μαγνητόπαυση της Γης μπορεί να προκαλέσει καταστροφικές διαστημικές καιρικές συνθήκες που μπορεί να βλάψουν τους δορυφόρους, να απειλήσουν την υγεία των αστροναυτών και να διαταράξουν τις επικοινωνίες και τα ενεργειακά δίκτυα στην επιφάνεια.
Οι επιστήμονες έχουν δυσκολευτεί να καταλάβουν πώς ακριβώς λειτουργεί η επανασύνδεση. Σε εργαστηριακά πειράματα, το φαινόμενο συμβαίνει τόσο γρήγορα και σε τόσο μικρές κλίμακες που είναι δύσκολο να μελετηθεί. Στο διάστημα είναι καλύτερο, αλλά συμβαίνει σε απρόβλεπτες ώρες και τοποθεσίες. Η μαγνητόπαυση της Γης "είναι το μόνο μέρος που μπορείτε να το κάνετε αυτό", λέει ο Burch. Ορισμένοι ανιχνευτές προσπάθησαν να μετρήσουν την επανασύνδεση εκεί, όπως η αποστολή Cluster των τεσσάρων διαστημικών σκαφών της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος. Αλλά αυτά τα διαστημόπλοια δεν είχαν όργανα αρκετά ευαίσθητα για να εντοπίσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων, η οποία θεωρείται κρίσιμη.
Στην αποστολή MMS, καθένα από τα τέσσερα πανομοιότυπα διαστημόπλοια έχει πολυάριθμα όργανα που μετρούν μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία καθώς και την κίνηση ιόντων και ηλεκτρονίων. Ξεκίνησε τον Μάρτιο του 2015, το σκάφος άρχισε να συλλέγει δεδομένα αργά εκείνο το καλοκαίρι, πετώντας σε έναν τετραεδρικό σχηματισμό σε απόσταση 10 χιλιομέτρων. Σε 6 μήνες έκαναν 4000 περάσματα από τη μαγνητόπαυση. Αλλά στις 16 Οκτωβρίου στάθηκαν τυχεροί με τα τέσσερα σκάφη που πετούσαν ακριβώς μέσα από μια περιοχή όπου η επανασύνδεση ήταν σε εξέλιξη. Είχαν άλλες πέντε άμεσες συναντήσεις μετά από αυτό.
Όπως αναφέρει σήμερα η ομάδα MMS στο Science , αντί για την τυρβώδη περιδίνηση των ηλεκτρονίων που είχαν προβλέψει ορισμένοι θεωρητικοί, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα ηλεκτρόνια κινούνταν με πιο συντονισμένο τρόπο, ελίσσοντας εμπρός και πίσω κατά μήκος της μαγνητόπαυσης. Αυτή η συντονισμένη ροή ηλεκτρονίων συνιστά ένα ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο διάκενο, παρέχοντας ίσως τον σπινθήρα που προκαλεί τα αντίθετα πεδία εκατέρωθεν να σπάσουν και να επανασυνδεθούν. Ταυτόχρονα, ένα ηλεκτρικό πεδίο ευθυγραμμισμένο κατά μήκος του ρεύματος είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή της μαγνητικής σε κινητική ενέργεια, εκτοξεύοντας σωματίδια σαν σφεντόνα.
Ο Burch λέει ότι αυτός ο μηχανισμός για τα επιταχυνόμενα σωματίδια είναι το «όπλο καπνίσματος» για επανασύνδεση σε δράση, αν και οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη εντοπίσει την πηγή του ηλεκτρικού πεδίου. Τους επόμενους μήνες, ελπίζουν να συναντήσουν περισσότερες επανασυνδέσεις με το διαστημόπλοιο σε απόσταση μόλις 5 χιλιομέτρων μεταξύ τους, για να πάρουν μια πιο λεπτή εικόνα. Προηγουμένως, οι προσομοιώσεις υπολογιστή ήταν πάντα μπροστά από τα πειράματα επανασύνδεσης, λέει ο Burch. Τώρα αυτό έχει αντιστραφεί. "Αυτοί οι τύποι [της θεωρίας] προσπαθούν να το εξηγήσουν αυτό", λέει.
Η καλύτερη κατανόηση που παρέχεται από το MMS θα βοηθήσει τους ερευνητές να προβλέψουν πού συμβαίνουν αυξήσεις στην επανασύνδεση και ποια ροή σωματιδίων μπορεί να εισέλθει, λέει ο Burch:"Θα έχουμε πολλές δυνατότητες πρόβλεψης."
