Du kan inte se dem, men svärmar av elektroner surrar genom den magnetiska miljön – magnetosfären – runt jorden. Elektronerna går i spiral och dyker runt planeten i en komplex dans dikterad av magnetiska och elektriska fält. När de tränger in i magnetosfären tillräckligt nära jorden, högenergielektronerna kan skada satelliter i omloppsbana och utlösa norrsken. Forskare med NASA:s Magnetospheric Multiscale, eller MMS, uppdrag studera elektronernas dynamik för att bättre förstå deras beteende. En ny studie, publiceras i Journal of Geophysical Research avslöjade en bisarr ny typ av rörelse som dessa elektroner uppvisar.
Elektroner i ett starkt magnetfält uppvisar vanligtvis ett enkelt beteende:De snurrar täta spiraler längs magnetfältet. I en svagare fältregion, där magnetfältets riktning vänder, elektronerna går fri stil – studsar och viftar fram och tillbaka i en typ av rörelse som kallas Speiser-rörelse. Nya MMS-resultat visar för första gången vad som händer i ett mellanstyrkafält. Sedan dansar dessa elektroner en hybrid, slingrande rörelse – spiral och studsande innan de kastas ut från området. Denna rörelse tar bort en del av fältets energi och den spelar en nyckelroll i magnetisk återkoppling, en dynamisk process, som explosivt kan frigöra stora mängder lagrad magnetisk energi.
"MMS visar oss den fascinerande verkligheten av magnetisk återkoppling som sker där ute, sa Li-Jen Chen, huvudförfattare till studien och MMS-forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.
När MMS flög runt jorden, den passerade genom ett område med ett magnetfält med måttlig styrka där elektriska strömmar löper i samma riktning som magnetfältet. Sådana områden är kända som mellanliggande styrfält. När du är inne i regionen, instrumenten registrerade en märklig interaktion av elektroner med det aktuella arket, det tunna skiktet genom vilket strömmen går. När de inkommande partiklarna mötte regionen, de började svänga i spiraler längs guidefältet, som de gör i ett starkt magnetfält, men i större spiraler. MMS-observationerna såg också signaturer på att partiklarna fick energi från det elektriska fältet. Inom kort, de accelererade partiklarna flydde det nuvarande arket, bildar höghastighetsstrålar. I processen, de tog bort en del av fältets energi, vilket gör att den gradvis försvagas.
Den magnetiska fältmiljön där elektronernas rörelser observerades skapades unikt genom magnetisk återkoppling, vilket gjorde att det aktuella arket var tätt begränsat av sammanhopade magnetfält. De nya resultaten hjälper forskarna att bättre förstå elektronernas roll vid återkoppling och hur magnetfält förlorar energi.
MMS mäter de elektriska och magnetiska fält den flyger genom, och räknar elektroner och joner för att mäta deras energier och rörelseriktningar. Med fyra rymdskepp som flyger i en kompakt, pyramidbildning, MMS kan se fälten och partiklarna i tre dimensioner och titta på småskalig partikeldynamik, på ett sätt som aldrig tidigare uppnåtts.
"Tidsupplösningen för MMS är hundra gånger snabbare än tidigare uppdrag, sa Tom Moore, senior projektforskare för MMS vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "Det betyder att vi äntligen kan se vad som händer i så smala lager och kommer att bättre kunna förutsäga hur snabbt återuppkoppling sker under olika omständigheter."
Att förstå hastigheten på återanslutningen är viktigt för att förutsäga intensiteten av den explosiva energifrigöringen. Återkoppling är en viktig energifrigöringsprocess över hela universum och tros vara ansvarig för vissa stötvågor och kosmiska strålar. Solflammor på solen, som kan utlösa rymdväder, orsakas också av magnetisk återkoppling.
Med två år under bältet, MMS har avslöjat nya och överraskande fenomen nära jorden. Dessa upptäckter gör det möjligt för oss att bättre förstå jordens dynamiska rymdmiljö och hur den påverkar våra satelliter och teknik.
MMS är nu på väg till en ny omloppsbana som kommer att ta den genom magnetiska återkopplingsområden på sidan av jorden längre bort från solen. I denna region, guidefältet är vanligtvis svagare, så MMS kan se mer av dessa typer av elektrondynamik.
