As observações confirmam um modelo teórico que explica como – na magnetosfera da Terra – as ondas magnéticas de grande escala aquecem o plasma da magnetosfera, transferindo a sua energia para ondas acústicas de menor escala.
NASA/GSFC
Uma impressão artística mostra as quatro espaçonaves da Missão Magnetosférica Multiescala, que voam em uma formação tetraédrica e reúnem informações sobre a microfísica da reconexão das linhas do campo magnético e os processos associados.
NASA/GSFC
Uma impressão artística mostra as quatro espaçonaves da Missão Magnetosférica Multiescala, que voam em uma formação tetraédrica e reúnem informações sobre a microfísica da reconexão das linhas do campo magnético e os processos associados.
As correntes oceânicas geram enormes giros, cuja energia cinética é transferida para estruturas turbulentas cada vez menores até que a viscosidade apague os gradientes de velocidade e as moléculas de água balancem com aleatoriedade térmica. Uma cascata semelhante ocorre no espaço quando o vento photo voltaic atinge a magnetopausa, o limite externo do campo magnético da Terra. O encontro lança ondas magnéticas de grande escala, ou Alfvén, cuja energia acaba aquecendo o plasma dentro da magnetosfera. Aqui, entretanto, o plasma é muito fino para que a viscosidade medie a cascata. Desde 1971, os investigadores têm desenvolvido progressivamente a sua compreensão de como as ondas de Alfvén nos plasmas espaciais geram calor. Esses estudos culminaram posteriormente em uma hipótese específica: as ondas de Alfvén aceleram os feixes de íons, que criam ondas acústicas de pequena escala, que geram calor. Agora, Xin An da UCLA e os seus colaboradores encontraram evidências diretas desse mecanismo proposto (1). Além do mais, o mecanismo provavelmente está funcionando no vento photo voltaic e em outros plasmas espaciais.
Experimentos em escala laboratorial lutam para capturar a dinâmica dos plasmas rotativos, e as observações do mundo actual são ainda mais escassas. As observações que An e seus colaboradores analisaram foram feitas em 2015 pela missão Magnetospheric Multiscale (MMS) de quatro naves espaciais. Lançado naquele ano, o MMS foi projetado para estudar a reconexão magnética, processo no qual a topologia das linhas do campo magnético é violentamente transformada. Os rearranjos de campo provocados pela reconexão podem ser grandes, na escala dos enormes loops que brotam da fotosfera do Sol. Mas os eventos que iniciam a reconexão ocorrem numa região muito menor onde as linhas de campo vizinhas se encontram, a linha X. As quatro naves espaciais do MMS podem voar numa configuração em que todas elas testemunham a transformação topológica em grande escala, enquanto uma delas poderia voar através da linha X – um native para onde nenhuma nave espacial tinha sido deliberadamente enviada antes.
Em 8 de setembro de 2015, as órbitas da espaçonave MMS os levaram através da magnetopausa no lado crepuscular da Terra. Eles estavam distantes o suficiente para que juntos pudessem detectar a passagem de uma onda Alfvén em grande escala, enquanto cada um deles poderia detectar individualmente o movimento dos íons no plasma circundante. An e seus colaboradores perceberam mais tarde que essas observações poderiam ser usadas para testar a teoria de que os feixes de íons e as ondas acústicas que eles geram medeiam a conversão da energia das ondas de Alfvén em calor.
Os dados dos vários instrumentos a bordo da espaçonave MMS mostram assinaturas de todos os três fatores que impulsionam a cascata de energia: ondas Alfvén e feixes de íons, ambos com escalas de comprimento de cerca de 2.000 km, e ondas acústicas, que têm escalas de comprimento de 50-1.500 km. m. Crucialmente, os instrumentos também registraram conexões entre os processos. As variações de pressão magnética das ondas de Alfvén estavam em sincronia com as flutuações na densidade de íons e no campo elétrico native, enquanto as velocidades dos feixes de íons correspondiam às das ondas de Alfvén locais ou às ondas acústicas.
In situ medições de espaçonaves são como tirar fotos de um processo em desenvolvimento. Embora as observações do MMS durassem 2,4 horas, não representaram um filme completo. Para aumentar a sua confiança de que as ligações aparentes que observaram eram reais, os investigadores realizaram simulações utilizando o supercomputador do Centro Nacional de Investigação Atmosférica dos EUA, Derecho. As simulações, que gastaram 4.000 horas de CPU para rastrear 0,5 bilhão de partículas em 400.000 intervalos de tempo, corresponderam às observações.
“Estes resultados oferecem informações novas e detalhadas sobre o emaranhado complexo e multiescala de processos dinâmicos que regulam a energética e a estrutura do espaço e dos plasmas astrofísicos”, diz François Rincon, que estuda plasmas no Observatório Midi-Pyrenees, em França.
Desde então, An e seus colegas identificaram instâncias do mecanismo de transferência de energia em outros dados do MMS. As condições que permitem o mecanismo poderiam ser mais prevalentes no vento photo voltaic. Os pesquisadores planejam ampliar sua investigação usando dados da Parker Photo voltaic Probe e do Photo voltaic Orbiter. “Essas observações adicionais nos ajudarão a entender melhor o quão difundido é esse mecanismo de transferência de energia nos plasmas espaciais”, diz An.
X. Um e outros.“Transferência de energia em escala cruzada de ondas Alfvén em escala fluida para ondas acústicas iônicas em escala cinética na camada limite da magnetopausa da Terra,” Física. Rev.133225201 (2024).
Observações de rádio de baixa frequência poderiam permitir aos investigadores distinguir entre vários modelos de matéria escura, graças à influência da matéria escura no Universo primordial. Leia mais »
