kvicksilver, planeten närmast solen, delar med jorden skillnaden att vara en av de två bergiga planeterna i solsystemet med ett globalt magnetfält som skyddar den från kosmiska strålar och solvinden. Nu forskare, ledd av fysikern Chuanfei Dong från Princeton University Center for Heliophysics och US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har utvecklat den första detaljerade modellen av interaktionen mellan den magnetiserade vinden och det magnetiska fältet, eller magnetosfären, som omger planeten – fynd som kan leda till förbättrad förståelse för det starkare fältet runt jorden.

Grundläggande verktyg

Dong använde en ny tredimensionell simuleringskod som heter "Gkeyll" som införlivar fysiken för mikroskaligt beteende i en sofistikerad makroskalemodell. Simuleringen kommer att leverera ett grundläggande verktyg till BepiColombo-uppdraget med dubbla satelliter på väg till Merkurius, för vilken Dong är medutredare av en svit med fyra instrument ombord på rymdfarkosten. Det internationella uppdraget, uppkallad efter den bortgångne matematikern Giuseppe (Bepi) Colombo vid University of Padua och lanserades av europeiska och japanska rymdorganisationer 2018, är planerad att nå Merkurius och börja kretsa 2025. "Vi kommer att tillhandahålla numerisk information baserad på modellen som kommer att hjälpa uppdraget att förstå dess resultat, sa Dong, huvudförfattare till en artikel som beskriver modellen i Geofysiska forskningsbrev .

Plasma, materiens tillstånd som består av positivt laddade atomkärnor och negativt laddade elektroner, utgör 99 procent av det synliga universum. Magnetisk återkoppling, sammansmältning och våldsam separation av magnetfältslinjerna i plasma, reglerar Merkurius magnetosfär, som är mycket mindre men mycket mer dynamisk än jordens. Återanslutningen sker när solvinden träffar Merkurius magnetosfär, får dess magnetfält att cykla framifrån, eller dagtid, av magnetosfären bakåt, eller nattsidan, där återanslutningen återkommer och fältet cyklar tillbaka till dagsidan.

Forskargruppen fångade fysiken i denna process genom att simulera en aldrig tidigare skådad 10 distinkta variabler med Gkeyll. Modellen fångar viktiga aspekter av elektronernas rörelse nära återanslutningsplatsen, en viktig men lite förstådd aspekt av processen, och stämmer väl överens med observationer av NASA Mercury Surface, Rymdmiljö, Geochemistry and Ranging (MESSENGER) satellit som kretsade kring Merkurius från 2011 till 2015.

Båda sidor nu

Även om ensatellit-MESSENGER inte kunde samla in data från dag- och nattsidans fält av Merkurius samtidigt, BepiColombo-uppdraget med dubbla satelliter kommer att utforska båda sidor av magnetosfären. Dessutom, sedan MESSENGERs periapsis, eller väg närmast Merkurius, var på norra halvklotet, södra halvklotet och dess magnetfält har ännu inte undersökts fullt ut. BepiColombo-uppdraget kommer att täcka båda hemisfärerna.

En egenhet med Merkurius är att dess magnetfält är ungefär tre gånger starkare på det norra halvklotet än på det södra, i motsats till jordens, där fälten i princip är desamma. Genererar fälten på båda planeterna är det flytande flytande järnet i deras elektriskt ledande smälta kärnor. I Merkurius sträcker sig den ovanligt stora kärnan över 80 procent av inredningens radie, tätt koppla fältet till kärnan som skapar det.

Den nya modellen gjorde det möjligt för Dong och hans team att utforska många nyckelfunktioner i Merkurius magnetosfär, såsom återkoppling i gränsen mellan solvinden och magnetfältet och fältets fram- och tillbakacykling. Modellen avslöjade elektronfysikens väsentliga roll i återkopplingsprocessen, vilket är "kollisionsfritt" eftersom de vitt åtskilda plasmapartiklarna i rymden inte ofta kolliderar. Modellen avslöjade vidare att den täta kopplingen mellan magnetosfären och den stora järnkärnan hjälper till att skydda Merkurius från erosion av solvinden.

Avgörande steg

Dessa fynd, sa Dong, "representerar ett avgörande steg mot att etablera ett innovativt revolutionerande tillvägagångssätt" för att förbättra förståelsen av fysiken bakom solvindens kontakt med den skeva magnetosfären på planeten närmast solen. "Chuanfeis arbete är en värdefull milstolpe för att validera vår ansträngning att modellera rymdväder på planeter, och ställer in för att göra förutsägelser om både lågintensiva och extrema rymdväderhändelser på jorden, " sa Amitava Bhattacharjee, chef för Princeton Center for Heliophysics och medförfattare till tidningen.