När solvinden - som egentligen är ett drivande regn av laddade partiklar från solen - träffar jordens skyddande magnetfält, chocken genererar rullande, turbulenta magnetfält som omsluter planeten och sträcker sig över hundratusentals mil.

Vart tar all den turbulenta energin vägen?

Ett av NASA:s rymdväderuppdrag, kallas Magnetospheric Multiscale eller MMS, har upptäckt ett överraskande sätt att denna turbulenta energi skingras:Den magnetiska energin omvandlas till höghastighetsstrålar av elektroner när magnetfälten bryts och återansluts.

Upptäckten kommer att hjälpa forskare förstå vilken roll magnetisk återkoppling spelar någon annanstans i rymden, till exempel, i att värma upp den oförklarligt heta solkoronan – solens yttre atmosfär – och accelerera den överljudssolvinden. NASA:s kommande Parker Solar Probe-uppdrag kommer att lanseras direkt mot solen i sommar för att undersöka exakt dessa fenomen, beväpnad med denna nya förståelse av magnetisk återkoppling nära jorden.

Och eftersom magnetisk återkoppling sker i hela universum, vad forskare lär sig om det runt vår planet – vilket är lättare att undersöka – kan tillämpas på andra processer längre bort.

"MMS upptäckte elektronmagnetisk återkoppling, en ny process som skiljer sig mycket från den vanliga magnetiska återkopplingen som sker i lugnare områden runt jorden, sa Tai Phan, en senior fellow i Space Sciences Laboratory vid University of California, Berkeley. "Detta fynd hjälper forskare att förstå hur turbulenta magnetfält sprider energi i hela kosmos."

Phan är huvudförfattare till ett papper som beskriver resultaten som kommer att publiceras denna vecka i tidskriften Natur .

"Turbulens uppstår överallt i rymden:på solen, i solvinden, interstellärt medium, dynamo, ansamlingsskivor runt stjärnor, i aktiva galaktiska kärnstrålar, supernova-restchocker och mer, " sa Michael Shay från University of Delaware, en medförfattare till tidningen.

Turbulenta magnetfält är olika

Standard magnetisk återkoppling observeras i jordens relativt lugna magnetosfär, som är som ett magnetiskt kraftfält som skyddar planeten från den intensiva solvinden. Inom denna region, böljande magnetfält kan korsa, bryta och återansluta; de återförenade magnetfältslinjerna knäpper som ett gummiband och kastar joniserade atomer med hög hastighet genom magnetosfären.

Jonstrålarna, kilar av joniserade väteatomer som rusar iväg i motsatta riktningar, värma upp gaserna som omger jorden och driva rymdväder. Några av de laddade partiklarna leds till nord- och sydpolen, där de kolliderar med atomer i atmosfären och skapar norrsken.

Den nya processen äger rum längre bort från jordens yta, i en turbulent zon där solvinden träffar en stötvåg som omger jorden och avtar drastiskt. Två gånger så bred som jorden själv, denna zon - magnetosheathen - är mycket turbulent.

"Turbulensen i magnethöljet innehåller mycket magnetisk energi, " sade Phan. "Folk har diskuterat hur denna energi försvinner, och magnetisk återkoppling är en av de möjliga processerna."

Phan och hans kollegor använde data från MMS för att bevisa att den nya elektronmagnetiska återkopplingsprocessen sker i mindre skala i turbulens och skapar strålar av elektroner istället för joner. Elektronerna rör sig cirka 40 gånger snabbare än joner som accelereras av standardåterkoppling.

"Vi har nu bevis för att återanslutningen händer för att skingra turbulent energi i magnetohöljet, men det är en ny typ av återkoppling, sa Shay.

Kan magnetfält vara för turbulenta för att återansluta?

Magnetisk återkoppling har observerats otaliga gånger i magnetosfären men alltid under lugna förhållanden. Den nya händelsen inträffade i magnetoshärden strax utanför magnetosfärens yttre gräns. Tidigare, forskare visste inte om återkoppling kunde ske där, eftersom plasman är mycket kaotisk i den regionen, sa Phan.

MMS upptäckte att det gör det, men på skalor mycket mindre än vad tidigare rymdfarkoster kunde undersöka och teori skulle förutsäga. Eftersom det bara involverar elektroner, den förblev dold för forskare som letade efter den tydliga signaturen för standardmagnetisk återkoppling:jonstrålar.

"Vi tror att detta beror på att elektronerna är snabba och lätta och lätt kan delta, men de långsamma och tunga protonerna kan inte, sa Jonathan Eastwood, en föreläsare vid Imperial College London och en medförfattare till tidningen. "Övergripande, detta resultat öppnar upp nya forskningsområden för turbulent återkoppling."

MMS består av fyra identiska rymdfarkoster som flyger i en pyramid- eller tetraedrisk formation för att studera magnetisk återkoppling runt jorden i tre dimensioner. Eftersom rymdfarkosterna flyger otroligt nära varandra - med en genomsnittlig separation på bara fyra och en halv mil - kan de observera fenomen som ingen har sett tidigare. Vidare, MMS:s instrument är designade för att fånga data med hastigheter 100 gånger snabbare än tidigare uppdrag.

Även om instrumenten ombord på MMS är otroligt snabba, de är fortfarande för långsamma för att fånga turbulent återkoppling i aktion, vilket kräver att man observerar smala lager av snabbrörliga partiklar som slungas av de rekylerande fältlinjerna. Jämfört med standardåterkoppling, där breda jonstrålar strömmar ut från platsen för återanslutning, turbulent återanslutning skjuter ut smala strålar av elektroner bara ett par miles breda.

Men MMS-forskare kunde utnyttja designen av ett instrument, den snabba plasmautredningen, att skapa en teknik som gjorde att de kunde läsa mellan raderna och samla extra datapunkter för att lösa strålarna.

"Nyckelhändelsen för tidningen inträffar på 45 millisekunder. Detta skulle vara en datapunkt med den vanliga data, sa Amy Rager, en doktorand vid Catholic University of America i Washington, D.C., som arbetade på NASA:s Goddard Space Flight Center för att utveckla tekniken. "Men istället kan vi få sex till sju datapunkter i den regionen med den här metoden, så att vi kan förstå vad som händer."

Med den nya metoden, MMS-forskarna hoppas att de kan gå igenom befintliga datauppsättningar för att hitta fler av dessa händelser, och potentiellt andra oväntade upptäckter också.