De fyra Magnetospheric Multiscale rymdfarkosterna flyger ur sitt element. Rymdfarkosterna har precis genomfört en kort avstickare från sin rutinvetenskapliga vetenskap – tittar på processer inom jordens magnetiska miljö – och istället vågat sig utanför den, studera något de inte ursprungligen var designade för.

I tre veckor, MMS studerade solvinden – strömmen av laddade överljudspartiklar som slungades runt solsystemet av solen – för att bättre förstå vad som kallas turbulens i plasma, den uppvärmda, elektrifierade gaser som utgör 99 procent av vanlig materia i universum. Turbulens är en vätskas kaotiska rörelse. Det dyker upp i det dagliga livet överallt från virvlar i en flod till rök från en skorsten, men det är otroligt svårt att studera eftersom det är så oförutsägbart och det är fortfarande en av de minst välförstådda disciplinerna inom hela fysiken. Minikampanjen kommer att ge forskare en vy på nära håll och på plats för att tänja på fältets gränser.

Men för att ta dessa banbrytande mätningar, MMS var tvungen att fungera på ett helt nytt sätt – och MMS-forskare och ingenjörer designade ett smart sätt att tillåta rymdfarkosten att studera solvinden med oöverträffad noggrannhet, testa gränserna och mångsidigheten för MMS:s möjligheter.

Öppnar nya dörrar

The Magnetospheric Multiscale uppdrag, MMS, lanserades 2015 för att studera magnetisk återkoppling – det explosiva snäppet och smidningen av magnetfältslinjer, som slänger högenergipartiklar runt jorden. MMS byggdes med toppmoderna instrument som gör mätningar med nästan 100 gånger bättre upplösning än tidigare instrument. Efter två års studier av magnetisk återkoppling i jordens magnetiska miljö – magnetosfären – på dagtid, MMS förlängde sin omloppsbana för att börja titta på återkoppling bakom jorden, bort från solen, där det tros gnista norrskenet.

Eftersom MMS har slutfört sina ursprungliga uppdragsmål, det tar nu tid i sitt utökade uppdrag att ta itu med några nya vetenskapsmål. Förstå turbulens, vilket är ett av NASA:s främsta vetenskapsmål, är den första minikampanjen MMS planerar att genomföra.

"Vi skulle vilja göra många av dessa minikampanjer i framtiden om den här blir framgångsrik, vilket det redan håller på att bli, " sa Bob Ergun, forskare vid Laboratory for Atmospheric and Space Physics i Boulder, Colorado, som leder den nya kampanjen. "MMS är en mycket, mycket kraftfullt observatorium med otroligt känsliga instrument och vi försöker maximera deras användning för att studera dessa andra prioriterade vetenskaper."

Att tänka utanför magnetosfären

Att studera solvinden görs bäst från solvinden, men för det mesta, de fyra MMS-rymdfarkosterna kretsar inom eller på kanten av jordens magnetosfär – där magnetfältet skapar en buffert som skyddar rymdfarkosten från solvinden. Ibland, dock, rutinmässiga orbitaljusteringar, används för att upprätthålla MMS långsträckta bana, ta det väl utanför. Det här året, ett uppsving för rymdfarkostens omloppsbana tar MMS helt ut ur jordens magnetiska miljö och förbi bogchocken – ett område där den överljudssolvinden slår in i jordens magnetosfär. På sådant avstånd, MMS passerar genom själva solvinden, vilket ger ett tidsfönster för att studera regionens turbulens.

Att studera solvinden är ingenting som att studera magnetisk återkoppling, men kan göras med samma instrument som mäter magnetiska och elektriska fält. MMS är utrustad med några av de mest exakta instrument som någonsin flugit i rymden, men för att använda dem för att studera solvinden, några justeringar måste först göras.

Normalt flyger MMS i en pyramidformad formation som kallas en tetraeder, vilket gör att alla fyra rymdfarkoster kan separeras lika. När de flög genom solvinden, rymdfarkosterna arrangerades istället i vad forskarna kallar ett "pärlband". Flyger vinkelrätt mot vinden, rymdskeppet följde efter varandra, var och en förskjuten på avstånd på 25 till 100 kilometer (cirka 15,5 till 62 miles) från sin granne. Detta gör att forskare kan se hur mycket solvinden varierar över olika avstånd.

Dock, när rymdfarkosten färdas genom den överljudssolvinden skapar de ett kölvatten bakom dem, precis som en båt. Detta vak är inte ett naturligt inslag i solvinden, så MMS-forskarna vill undvika att ha sina instrument, som snurrar i slutet av långa bommar, släpade igenom den. För att göra exakta mätningar utan hinder av kölvattnet, rymdfarkosterna lutades var och en upp 15 grader. Lutningen lyfter upp de snurrande bommarna från att färdas bakom rymdfarkosten genom kölvattnet.

Denna vinkel gör det möjligt för forskare att få bättre data, men det kommer med en kostnad. Som ett resultat av lutningen, solpanelen får inte så mycket ljus, vilket innebär att rymdfarkostens effekt minskar med några watt vardera. Lutningen sätter också termisk stress på rymdfarkosten, eftersom toppen av varje blir varmare än botten. Men för en kort kampanj, dessa effekter kommer inte att permanent påverka rymdfarkosten.

Gamla rymdfarkoster, Nya knep

MMS-data som samlats in i denna kampanj kommer att vara några av de mest exakta mätningarna av turbulens i solvinden som någonsin gjorts. Forskningen kommer också att komplettera det arbete som utförs av NASA:s Parker Solar Probe, som flyger genom solens atmosfär och studerar solvindens ursprung. Medan Parker Solar Probe mäter den initiala turbulensen i solvinden, MMS mätte efterdyningarna när den når jorden.

"Nästan alla astrofysiska plasma vi tittar på runt solen, stjärnor, svarta hål, accretion diskar, jets, är alla extremt turbulenta, så genom att förstå det runt jorden förstår vi det någon annanstans, sa Ergun.

I slutändan kommer denna minikampanj också att fungera som ett testfall för vad MMS kan göra i framtiden. Att lära sig nyanserna i MMS formationer och lutningsvinklar kommer att göra det möjligt för forskarna att bättre förstå MMS:s utbud av förmågor, vilket kan öppna dörren för andra typer av vetenskapliga kampanjer också.