När NASA:s Magnetospheric Multiscale - eller MMS - uppdrag lanserades, forskarna visste att det skulle svara på frågor som är grundläggande för vårt universums natur - och MMS har inte besviken. Ett nytt fynd, presenteras i ett papper i Naturkommunikation , ger observationsbevis för en 50-årig teori och omformar den grundläggande förståelsen för en typ av våg i rymden som kallas en kinetisk Alfvén-våg. Resultaten, som avslöjar oväntat, småskaliga komplexiteter i vågen, är också tillämpliga på kärnfusionsteknik, som förlitar sig på att minimera förekomsten av sådana vågor inuti utrustningen för att effektivt fånga värme.
Kinetiska Alfvénvågor har länge misstänkts vara energitransportörer i plasma - ett grundläggande tillstånd av materia som består av laddade partiklar - i hela universum. Men det var inte förrän nu, med hjälp av MMS, att forskare har kunnat titta närmare på vågornas mikrofysik på de relativt små skalor där energiöverföringen faktiskt sker.
"Det här är första gången vi har kunnat se denna energiöverföring direkt, "sa Dan Gershman, huvudförfattare och MMS -forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och University of Maryland i College Park. "Vi ser en mer detaljerad bild av Alfvén -vågorna än någon har kunnat få tidigare."
Vågorna kan studeras i liten skala för första gången på grund av den unika designen av rymdfarkosten MMS. MMS:s fyra rymdfarkoster flyger i en kompakt 3D-pyramidformation, med bara fyra mil mellan dem - närmare än någonsin tidigare och tillräckligt liten för att passa mellan två vågtoppar. Med flera rymdfarkoster tillät forskarna att mäta exakta detaljer om vågen, till exempel hur snabbt den rörde sig och i vilken riktning den färdades.
Tidigare uppdrag med flera rymdfarkoster flög vid mycket större separationer, som inte tillät dem att se de små skalorna - ungefär som att försöka mäta tjockleken på ett papper med en måttstock. MMS:s snäva flygande formation, dock, tillät rymdfarkosten att undersöka de kortare våglängderna för kinetiska Alfvén -vågor, istället för att överblicka de småskaliga effekterna.
"Det är bara i dessa små skalor som vågorna kan överföra energi, det är därför det är så viktigt att studera dem, "Sa Gershman.
När kinetiska Alfvén -vågor rör sig genom en plasma, elektroner som reser med rätt hastighet fastnar i de svaga fläckarna i vågens magnetfält. Eftersom fältet är starkare på vardera sidan av sådana fläckar, elektronerna studsar fram och tillbaka som om de gränsar till två väggar, i det som kallas en magnetisk spegel i vågen. Som ett resultat, elektronerna fördelas inte jämnt över:Vissa områden har en högre densitet av elektroner, och andra fickor är kvar med färre elektroner. Andra elektroner, som reser för fort eller för långsamt för att åka våg, slutar passera energi fram och tillbaka med vågen när de jockey för att hänga med.
Vågens förmåga att fånga partiklar förutspåddes för mer än 50 år sedan men hade inte fångats direkt med så omfattande mätningar förrän nu. De nya resultaten visade också en mycket högre infångning än väntat.
Denna metod för att fånga upp partiklar har också tillämpningar inom kärnfusionsteknik. Kärnreaktorer använder magnetfält för att begränsa plasma för att extrahera energi. Nuvarande metoder är mycket ineffektiva eftersom de kräver stora mängder energi för att driva magnetfältet och hålla plasma varmt. De nya resultaten kan ge en bättre förståelse för en process som transporterar energi genom en plasma.
"Vi kan producera, med lite ansträngning, dessa vågor i laboratoriet för att studera, men vågen är mycket mindre än den är i rymden, sa Stewart Prager, plasmavetare vid Princeton Plasma Physics Laboratory i Princeton, New Jersey. "I rymden, de kan mäta finare egenskaper som är svåra att mäta i laboratoriet. "
Detta arbete kan också lära oss mer om vår sol. Vissa forskare tror att kinetiska Alfvén -vågor är nyckeln till hur solvinden - det konstanta utflödet av solpartiklar som sveper ut i rymden - värms upp till extrema temperaturer. De nya resultaten ger insikt om hur den processen kan fungera.
I hela universum, kinetiska Alfvén -vågor finns överallt i magnetiska miljöer, och förväntas till och med befinna sig i kvasars extragalaktiska strålar. Genom att studera vår jordnära miljö, NASA -uppdrag som MMS kan använda en unik, närliggande laboratorium för att förstå fysiken hos magnetfält över hela universum.
