Med hjälp av över 18 års data från ESA:s klusteruppdrag, forskare har kartlagt tungmetallerna i rymden som omger jorden, hitta en oväntad fördelning och förekomst av järn och belysa sammansättningen av vår kosmiska miljö.

Rymden antas ofta sakna materia, men tekniskt sett är det inte riktigt tomt:fördelningen av materia är bara väldigt, mycket gles. I närheten av jorden, utrymmet som forskare kallar "geospace" är faktiskt fyllt med laddade partiklar:en blandning av elektroner, som har negativ laddning, och positivt laddade joner. Dessa joner är nyckelspelare i de elektrodynamiska processer vi ser i georymden, och bidra till det turbulenta, föränderlig natur i denna del av kosmos.

En överraskande upptäckt

En ny studie använder över 18 års data från ESA:s Cluster-uppdrag – som lanserades i augusti 2000 och närmar sig dess 20-årsjubileum i rymden – för att utforska förekomsten av en viktig jon som tros vara relativt sällsynt nära jorden:järn. Genom att fördjupa sig i klusterdata som samlats in från 2001 till 2018, forskarna upptäckte en oväntad fördelning av järn i georymden.

"Även om beloppen är små, vi hittade järn överallt:över hela området av georymd som täcks av Cluster, och i den jordnära solvinden - det kontinuerliga utflödet av laddade partiklar från solen, säger huvudförfattaren Stein Haaland från Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland, och Birkeland Center for Space Science vid universitetet i Bergen, Norge.

"Vi upptäckte järn i ungefär 10% av observationerna som, med tanke på jonens relativa sällsynthet, är förvånande. Vi förväntade oss inte att hitta det så ofta."

Dock, det är inte närvaron av järn i sig som är förvånande, utan snarare dess egenskaper. JAXA/NASA Geotail-satelliten, som har tillbringat över 25 år med att observera jordens magnetiska miljö, hade upptäckt singeljoniserat järn i georymden 2017. Det här är järnatomer som bara har tagits bort från de mest yttre av sina elektroner. De nya resultaten bekräftar inte bara detta fynd, men ger en viktig ny del av bilden.

"Klusterobservationerna fokuserar på ett mycket högre energiområde än Geotail, och ge oss en mer komplett bild av utrymmet runt oss, detekterar inte bara singeljoniserat järn utan också multipeljoniserat järn – dessa är joner i högre energitillstånd som har tagits bort från mer än en elektron, " tillägger Stein. "Järn i solvinden tenderar att ses i högre laddningstillstånd, så vi behöver det här bredare, högre energiområde för att förstå solvinden i synnerhet och dess inverkan på jordens magnetiska miljö."

Källan till järn i georymden

Joner kan komma in i georymden uppifrån eller underifrån. Vissa reser upp från jordens atmosfär, medan andra strömmar in från solvinden. Källan till tungmetaller, som järn, diskuteras fortfarande - var kommer dessa joner ifrån, och hur bidrar de till de fenomen vi ser omkring oss?

"Geotail-observationerna fokuserade på järn som rörde sig upp från jordens atmosfär, och vid ganska låga energier, " förklarar Stein. "Vi upptäckte att det kommer mycket mer järn från solen, och vid mycket högre energier. Vi hittade också järn i regionerna ovanför jordens polära lock – en plats som Geotail inte täckte."

Bygger på tidigare resultat, den nya studien utforskar den potentiella källan till det joniserade järnet mer på djupet. Detta är en nyckelfaktor för att förstå dynamiken och egenskaperna hos georymd, vår magnetosfär, solvinden, och hur dessa strukturer möts och interagerar.

Tidigare forskning har föreslagit att detektioner av järnjoner på högre breddgrader kan bero på en mängd olika faktorer, inklusive meteoriter som kommer in i jordens atmosfär och bryts upp, partiklar som lyfts upp från vissa skikt av atmosfären, eller till och med partiklar som kastas ut från månen. Dock, de nya Cluster-resultaten visar inte övertygande bevis för någon av dessa processer; istället, de föreslår att järnet kommer direkt från solen.

"Data om järnfördelning och närvaro varierade över tiden på ett sätt som matchade störningar i jordens magnetfält, och långvariga fluktuationer i solaktiviteten, " säger Stein. "Detta tyder på att det mesta av järnet i georymden härstammar från solvinden som passerade genom magnetosfären, snarare än att resa uppåt från vår planets atmosfär."

Gömd i data

För att kartlägga sammansättningen av georymd, Stein och kollegor använde klusterdata på ett oväntat sätt. De utnyttjade mätningar som inte samlats in för vetenskapliga ändamål, men för operativ diagnostik av ett av rymdfarkostens instrument – ​​RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors).

Instrumentet identifierar och karakteriserar de olika joner som det detekterar genom att mäta deras energier och restid inuti detektorn. För den vanliga vetenskapliga verksamheten, RAPID beräknar dessa egenskaper endast för väte, helium- och syreatomer; dock, för diagnostiska ändamål, instrumentet ger ytterligare egenskaper för ett begränsat antal partiklar, utvidga det undersökta området till tyngre joner.

Dessa mätningar tjänar till att kalibrera instrumentet och säkerställa att det fungerar som avsett. Dock, forskarna använde dessa diagnostiska observationer – totalt 122 000 timmar – för att bestämma sammansättningen av inkommande joner och identifiera järnpartiklar.

"RAPID:s förmåga att mäta jonsammansättning var avgörande. Vi behöver sammansättningsmätningar för att hjälpa oss att bättre förstå var de olika elementen som finns på eller nära jorden kommer ifrån, och att karakterisera vår kosmiska miljö, säger Stein.

Bryta arkiven

Att förstå utrymmet som omger jorden är ett av Clusters kärnmål. Kvartetten av rymdfarkoster, flyger i formation runt jorden, har tillbringat år med att passera in och ut ur vår planets magnetfält, undersöka hur solen och jorden samverkar och karakterisera de fenomen som orsakas av dessa interaktioner.

Uppdragets livslängd och dess breda omloppsbana har gjort det möjligt för det att samla in nästan två decennier av data som täcker alla områden nära jorden i rymden, och stora delar av solvinden.

"Vi behövde den här långa tidsperioden för vår forskning - och detta var bara möjligt tack vare Cluster Science Archive, som ger data av bästa kvalitet för forskarsamhället att använda, " tillägger medförfattaren Patrick Daly, även av Max Planck Institute for Solar System Research och huvudutredare av RAPID-instrumentet.

"Det tog stor ansträngning att sätta upp det här arkivet, och att ständigt upprätthålla sina mycket höga standarder för kalibrering och tillförlitlighet. Arkivet är en ära till de många engagerade ingenjörerna, rymdfarkostoperatörer och dataarkiveringsteam som har sett till att Cluster förblir i drift och fortfarande tillhandahåller nya, spännande, tillgänglig information om jordens närområde."

I synnerhet, datauppsättningarna i Cluster Science Archive innehåller detaljerade diagnostiska data – något som vanligtvis inte ingår i alla uppdragsarkiv.

"Detta belyser vikten av vetenskapliga arkiv i allmänhet och diagnostiska data i synnerhet, visar hur verkligt värdefull information kan hämtas från dessa mångsidiga datamängder för att producera banbrytande vetenskapliga resultat, säger Philippe Escoubet, ESA Cluster Project Scientist.

"Det visar också på ett bra sätt hur forskning ständigt utvecklas och skjuter framåt. Att upptäcka järn skulle ha varit ett helt oväntat resultat redan när Cluster lanserades, men uppdraget fortsätter att tillhandahålla en skattkammare av data om jordens miljö."