Νέα ανακάλυψη πάνω στη μαγνητική επανασύνδεση έχει αντίκτυπο στις μελλοντικές διαστημικές αποστολές

Πηγή: ScienceDaily, 25 Ιανουαρίου 2008

Η αποστολή Cluster της ESA, για πρώτη φορά, έχει παρατηρήσει την έκταση της περιοχής που προκαλείται μαγνητική επανασύνδεση, και είδε ότι είναι πολύ μεγαλύτερη από όσο προηγουμένως αναμέναμε. Αυτό δίνει στις μελλοντικές διαστημικές αποστολές μια πολύ καλύτερη πιθανότητα να τη μελετήσουμε.

Το διάστημα είναι γεμάτο με πλάσμα (ένα αέριο που αποτελείται από ιόντα και ηλεκτρόνια, συνολικά ουδέτερο) και διαπερνιέται από μαγνητικά πεδία. Αυτά τα μαγνητικά πεδία αποθηκεύουν την ενέργεια που μπορεί να απελευθερωθεί κατά τρόπο εκρηκτικό, σε μια διαδικασία που ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση.

Η καλλιτεχνική εικόνα δείχνει τους τέσσερις δορυφόρους του Cluster της ESA να πετάνε μέσα στη μαγνητόσφαιρα της Γης και να παρατηρούν την διαδικασία της  'μαγνητικής επανασύνδεσης'. Η μαγνητική επανασύνδεση είναι μια διαδικασία που μπορεί να συμβεί σχεδόν όπου βρίσκεται ένα μαγνητικό πεδίο. Στην 'επανασύνδεση', οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου συμπιέζονται και συνδέονται μαζί κάπου στον χώρο και αυθόρμητα επανασχηματίζονται, ελευθερώνοντας ενέργεια.

Αυτή η διαδικασία διαδραματίζει έναν βασικό ρόλο σε πολυάριθμα αστροφυσικά φαινόμενα: το σχηματισμό άστρων, τις ηλιακές εκλάμψεις (όπου ελευθερώνονται χιλιάδες εκατομμύρια τόνους φορτισμένων σωματιδίων στο διάστημα), και τα έντονα σέλη, είναι μερικά από αυτά. Στη γη, η μαγνητική επανασύνδεση αποτρέπει την αποδοτική παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας στους ελεγχόμενους αντιδραστήρες σύντηξης, τις πιθανές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας στο μέλλον.

Στην καρδιά της μαγνητικής επανασύνδεσης είναι η περιοχή διάχυσης ηλεκτρονίων, εκεί που γίνεται μάλλον επανασύνδεση. Εδώ, μια συστροφή στις πρόσφατα επανασυνδεμένες γραμμές των μαγνητικών πεδίων παράγει μεγάλης κλίμακας πίδακες πλάσματος με υψηλή ταχύτητα.

"Πρέπει να κατανοήσουμε τη δομή της περιοχής διάχυσης και το ρόλο της στον έλεγχο του ρυθμού με τον οποίο η μαγνητική ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια σωματιδίων," λέει ο Δρ Michael Shay από το πανεπιστήμιο του Delaware.

Μέχρι σήμερα, οι θεωρητικοί επιστήμονες πίστευαν ότι η περιοχή διάχυσης των ηλεκτρονίων ήταν σχετικά μικρή (με πλάτος περίπου 2 χιλιόμετρα, και με μήκος περίπου 10 χιλιόμετρα). Στην απεραντοσύνη όμως του διαστήματος, η πιθανότητα ένα διαστημικό σκάφος να βρεθεί αντιμέτωποι με αυτήν την περιοχή ήταν υπερβολικά μικρή.

Με την αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ, οι προσομοιώσεις παρουσίασαν περιοχές διάχυσης ηλεκτρονίων με πολύ μεγαλύτερο μήκος.. Δεν ήταν δυνατό όμως να κριθεί εάν το νέο εύρημα ήταν πραγματικό επειδή το μήκος της περιοχής αυξήθηκε με πιο ισχυρές προσομοιώσεις. Ούτε ήταν γνωστό εάν ένα τέτοιο στρώμα θα ήταν σταθερό στον πραγματικό, τρισδιάστατο κόσμο.

Σύγκριση μεταξύ των παρατηρήσεων και της προσομοίωσης

Στις 14 Ιανουαρίου 2003 οι τέσσερις δορυφόροι του Cluster διέσχιζαν μια περιοχή που λέγεται magnetosheath,  μια ταραχώδη περιοχή με πλάσμα που βρίσκεται σε απόσταση 10 γήινων ακτίνων προς την πλευρά του ήλιου, όταν αντιμετώπισαν μια περιοχή διάχυσης ηλεκτρονίων. Το μήκος της παρατηρηθείσας περιοχής μετρήθηκε 3000 χλμ, 300 φορές μεγαλύτερη από τις προηγούμενες θεωρητικές απόψεις και τέσσερις φορές πιο μακριά από στις πρόσφατες προσομοιώσεις. Εντούτοις, οι παρατηρήσεις υποστηρίζουν έντονα τις νέες προσομοιώσεις.

"Αυτές οι παρατηρήσεις του Cluster είναι πολύ σημαντικές καθώς είναι οι πρώτες μετρήσεις του μήκους της περιοχής διάχυσης των ηλεκτρονίων στο διαστημικό περιβάλλον. Η ανακάλυψη αυτή αλλάζει δραστικά τον τρόπο που καταλαβαίνουμε τη φυσική της επανασύνδεσης," σημείωσε ο James Drake, από το πανεπιστήμιο της Μέρυλαντ.

"Η ανακάλυψη μιας μεγάλης περιοχής διάχυσης των ηλεκτρονίων δίνει στις μελλοντικές αποστολές της ESA και της NASA περισσότερες πιθανότητες να την μελετήσουν," τονίζει ο Tai Phan στο πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ.

Προσομοίωση μαγνητικής επανασύνδεσης

Το Cluster ήταν σε θέση να ανιχνεύσει την περιοχή βασισμένη στο υψηλής ανάλυσης μαγνητικό πεδίο της, το ηλεκτρικό πεδίο και τις ιοντικές μετρήσεις. Αλλά για να καταλάβουν τη θεμελιώδη φυσική της περιοχής διάχυσης των ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνη για την επανασύνδεση, απαιτούνται περισσότερες και καλύτερες μετρήσεις.

Τα 4 διαστημικά σκάφη της αποστολής Magnetospheric Multi-Scale της NASA, που προγραμματίζονται να εκτοξευτούν το 2014, είναι σχεδιασμένα για τέτοιες μετρήσεις.