Queen Mary University of London har lett en studie som beskriver den första direkta mätningen av hur energi överförs från de kaotiska elektromagnetiska fälten i rymden till partiklarna som utgör solvinden, leder till uppvärmning av det interplanetära utrymmet.

Studien, publiceras i Naturkommunikation och genomfördes med University of Arizona och University of Iowa, visar att en process som kallas Landau-dämpning är ansvarig för att överföra energi från den elektromagnetiska plasmaturbulensen i rymden till elektroner i solvinden, orsakar deras energi.

Denna process, uppkallad efter den nobelprisbelönte fysikern Lev Landau (1908-1968), uppstår när en våg färdas genom ett plasma och plasmapartiklarna som rör sig med en liknande hastighet absorberar denna energi, leder till en minskning av energi (dämpning) av vågen.

Även om denna process hade mätts i några enkla situationer tidigare, det var inte känt om det fortfarande skulle fungera i de mycket turbulenta och komplexa plasma som förekommer naturligt i rymden, eller om det skulle bli en helt annan process.

Överallt i universum, materia är i ett strömsatt plasmatillstånd vid mycket högre temperaturer än förväntat. Till exempel, solkoronan är hundratals gånger varmare än solens yta, ett mysterium som forskare fortfarande försöker förstå.

Det är också viktigt att förstå uppvärmningen av många andra astrofysiska plasma, såsom det interstellära mediet och plasmaskivorna som omger svarta hål, för att förklara en del av det extrema beteendet som visas i dessa miljöer.

Att kunna göra direkta mätningar av plasmaenergimekanismerna i verkan i solvinden (som visas i denna artikel för första gången) kommer att hjälpa forskare att förstå många öppna frågor, som dessa, om universum.

Forskarna upptäckte detta med hjälp av nya högupplösta mätningar från NASA:s Magnetospheric Multi-Scale (MMS) rymdfarkost (nyligen uppskjuten 2015), tillsammans med en nyutvecklad dataanalysteknik (fält-partikelkorrelationstekniken).

Solvinden är strömmen av laddade partiklar (dvs. plasma) som kommer från solen och fyller hela vårt solsystem, och MMS-rymdfarkosten är placerad i solvinden och mäter fälten och partiklarna i den när den strömmar förbi.

Huvudförfattare Dr Christopher Chen, från Queen Mary University of London, sa:"Plasma är den överlägset vanligaste formen av synlig materia i universum, och är ofta i ett mycket dynamiskt och till synes kaotiskt tillstånd som kallas turbulens. Denna turbulens överför energi till partiklarna i plasman vilket leder till uppvärmning och energitillförsel, gör turbulens och därmed sammanhängande uppvärmning mycket utbredda fenomen i naturen.

"I den här studien, vi gjorde den första direkta mätningen av processerna involverade i turbulent uppvärmning i ett naturligt förekommande astrofysiskt plasma. Vi har också verifierat den nya analystekniken som ett verktyg som kan användas för att undersöka plasmaenergi och som kan användas i en rad uppföljningsstudier om olika aspekter av plasmabeteende."

Professor Greg Howes vid University of Iowa, som var med och utarbetade denna nya analysteknik, sa:"I processen med Landau-dämpning, det elektriska fältet associerat med vågor som rör sig genom plasman kan accelerera elektroner som rör sig med precis rätt hastighet tillsammans med vågen, analogt med en surfare som fångar en våg. Denna första framgångsrika observationsapplikation av fält-partikelkorrelationstekniken visar dess löfte att svara på långvariga, grundläggande frågor om rymdplasmas beteende och utveckling, såsom uppvärmningen av solkoronan."

Detta papper banar också vägen för tekniken som ska användas på framtida uppdrag till andra områden i solsystemet, som NASA Parker Solar Probe (lanserad 2018) som börjar utforska solkorona- och plasmamiljön nära solen för första gången.